一種改進(jìn)型軸向永磁調(diào)速器及其參數(shù)優(yōu)化方法的研究

邱力偉，關(guān)煥新，郭振亞，邵　偉，高慶忠

(1.沈陽(yáng)工程學(xué)院，遼寧　沈陽(yáng)　110136；2．國(guó)網(wǎng)錦州市太和區(qū)供電分公司，遼寧　錦州　121000)

永磁調(diào)速器的原理是通過(guò)永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)與導(dǎo)體銅轉(zhuǎn)子上形成的渦流場(chǎng)之間的耦合效應(yīng)傳遞轉(zhuǎn)矩[1],它能消除電機(jī)軸與負(fù)載軸之間的剛性聯(lián)接,是一種新型非接觸式的傳動(dòng)和調(diào)速裝置。與傳統(tǒng)調(diào)速設(shè)備相比，其主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)諧波污染、轉(zhuǎn)矩傳遞效率高、有效減少振動(dòng)以及軟啟動(dòng)等，因此廣泛應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速節(jié)能、大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的轉(zhuǎn)速控制等領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1　軸向永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)

永磁調(diào)速器采用非接觸式傳動(dòng)雖然能夠減緩振動(dòng)，但是并不能消除振動(dòng)，一旦形成共振將對(duì)設(shè)備造成不可逆的破壞；另一方面由于永磁調(diào)速器利用渦流效應(yīng)工作,就不可避免造成渦流損耗進(jìn)而產(chǎn)生熱量，致使永磁體高溫退磁[2]。因此，本文選擇振動(dòng)抑制與減緩渦流損耗為優(yōu)化目標(biāo)。通過(guò)優(yōu)化氣隙磁密波形能夠有效抑制永磁調(diào)速器的振動(dòng)，減少氣隙磁密波形中諧波的占比就可以達(dá)到優(yōu)化磁密波形的目的，考慮到氣隙磁密諧波難以直接觀(guān)測(cè)并優(yōu)化，本文提出了氣隙磁密波形畸變率這一概念。首先利用ansoft有限元仿真軟件分別求取不同參數(shù)下的氣隙磁密波形，然后利用傅里葉分解分離基波與諧波，進(jìn)而算出氣隙磁密波形畸變率kBδ，其計(jì)算公式如下：

(1)

不同優(yōu)化參數(shù)下的永磁調(diào)速器渦流損耗可以直接通過(guò)ansoft 3D有限元仿真軟件計(jì)算得出。本文擬定輸出轉(zhuǎn)矩最小值為80 N·m，渦流損失需控制在500 W以下。由于改進(jìn)型永磁調(diào)速器減少了永磁體的體積，這可能造成輸出轉(zhuǎn)矩的降低，但是本文通過(guò)增加永磁體數(shù)量或者尺寸來(lái)彌補(bǔ)降低的轉(zhuǎn)矩，并且以實(shí)際運(yùn)行要求的的最大輸出轉(zhuǎn)矩為限制條件進(jìn)行優(yōu)化，因此不會(huì)對(duì)永磁調(diào)速器的正常運(yùn)行造成影響。

1　改進(jìn)型軸向永磁調(diào)速器及其優(yōu)化參數(shù)選擇

未進(jìn)行改進(jìn)的軸向永磁調(diào)速器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要構(gòu)成部分包括永磁轉(zhuǎn)子、導(dǎo)體轉(zhuǎn)子(銅轉(zhuǎn)子)以及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)[1]。

圖2　改進(jìn)型永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)

原始參數(shù)如表1所示。

表1　軸向永磁調(diào)速器原始參數(shù)　mm

1.1　永磁轉(zhuǎn)子的改進(jìn)

改進(jìn)前永磁轉(zhuǎn)子為瓦片型永磁轉(zhuǎn)子，雖然弧形面的永磁體采用正弦優(yōu)化原理有利于氣隙磁密波形的優(yōu)化[3]，但是，由于工藝復(fù)雜程度以及做工成本的限制本文采用梯形表面結(jié)構(gòu)代替弧形表面如圖3(a)所示，其改進(jìn)參數(shù)分別為切割高度h與切割角度θ，如圖3(b)所示。

(a)永磁轉(zhuǎn)子改進(jìn)

(b)改進(jìn)參數(shù)
圖3改進(jìn)永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

為了確保采用該結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到優(yōu)化氣隙磁密波形的目的，本文利用ansoft有限元仿真軟件進(jìn)行初步仿真，仿真證明采用梯形表面磁極的永磁調(diào)速器氣隙磁密波形的確優(yōu)于瓦片形。

分別對(duì)具有梯形磁極和瓦片形磁極的永磁調(diào)速器進(jìn)行輸出轉(zhuǎn)矩以及氣隙磁密的仿真，兩種結(jié)構(gòu)的永磁轉(zhuǎn)子個(gè)數(shù)(6個(gè))，厚度(20 mm)與軸心角α(30°)均相同，梯形表面永磁體的切割高度h為10 mm。仿真時(shí)間為20 ms、步長(zhǎng)500 μs、誤差0.05、剖分方式為手動(dòng)剖分磁極剖分尺寸5 mm，其余結(jié)構(gòu)剖分尺寸10 mm，后處理時(shí)對(duì)弧線(xiàn)上的氣隙磁密在15 ms時(shí)進(jìn)行查看，氣隙磁密仿真結(jié)果如圖4所示。

(a)瓦片形磁極

(b)梯形磁極圖4　氣隙磁密仿真

通過(guò)仿真數(shù)據(jù)可以看出改進(jìn)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)后，氣隙磁密波形的諧波明顯減少，對(duì)上述兩個(gè)波形進(jìn)行傅里葉分解后可以明顯看到氣隙磁密波形的改善,如圖5所示。

(a)瓦片形轉(zhuǎn)子

(b)梯形表面轉(zhuǎn)子圖5　氣隙磁密傅里葉分解結(jié)果

由于采用梯形轉(zhuǎn)子減少了永磁體的體積，所以輸出轉(zhuǎn)矩不可避免會(huì)減少，但是經(jīng)仿真驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)：因改進(jìn)結(jié)構(gòu)而損失的輸出轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值很小，不會(huì)影響永磁調(diào)速器的正常運(yùn)行，仿真結(jié)果如圖6所示。進(jìn)一步通過(guò)增加軸心角或者增加背襯鋼環(huán)外徑等方式可以彌補(bǔ)減少的轉(zhuǎn)矩[4]，所以與改善永磁調(diào)速器性能增強(qiáng)其運(yùn)行穩(wěn)定性相比，減少一部分微小且可彌補(bǔ)的輸出轉(zhuǎn)矩顯然是可行的。

(a)瓦片形轉(zhuǎn)子

(b)梯形表面轉(zhuǎn)子圖6　輸出轉(zhuǎn)矩仿真

1.2　優(yōu)化參數(shù)的選擇

在優(yōu)化參數(shù)的選擇上，本文選擇3個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，分別是軸心角α、切割高度h和切割角度θ，軸心角如圖7所示。

圖7　軸心角示意圖

為了彌補(bǔ)因改進(jìn)磁極表面而損失的輸出轉(zhuǎn)矩，本文采取的方法是增加軸心角α的角度。分別對(duì)α取值為30°、35°及40°(其它參數(shù)取值相同見(jiàn)表1)改進(jìn)型永磁調(diào)速器進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)當(dāng)α取值為40°時(shí)其輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到了87 N·m左右，仿真曲線(xiàn)見(jiàn)圖8。

圖8　輸出轉(zhuǎn)矩仿真

因此α的取值為40°，在θ分別取值45°、55°以及65°時(shí)對(duì)應(yīng)h優(yōu)化參數(shù)組合為9組，表2為θ與h的優(yōu)化參數(shù)的組合表。

表2　優(yōu)化參數(shù)組合表

受運(yùn)行環(huán)境的限制，永磁調(diào)速器大部分結(jié)構(gòu)的參數(shù)是固定的[5]，但是為了達(dá)到最優(yōu)性能,除了上文提到的優(yōu)化參數(shù)外，其它參數(shù)仍要選擇恰當(dāng)數(shù)值，這些參數(shù)包括銅盤(pán)厚度以及永磁體的厚度等。在其它參數(shù)的選擇上，本文采用文獻(xiàn)[3]的優(yōu)化方法優(yōu)化后的參數(shù)。

2　參數(shù)優(yōu)化過(guò)程

令θ分別45°、55°以及65°，軸心角α取值分別為30°、35°與40°以及對(duì)應(yīng)切割高度h分別取值5 mm、10 mm以及15 mm時(shí)，利用有限元法[5]求得相應(yīng)的氣隙磁密波形畸變率kBδ、渦流損耗[4]Ploss以及輸出轉(zhuǎn)矩T,如表3、表4、表5所示。

表3　不同(θ，h)參數(shù)組合的性能指標(biāo)1

表4　不同(θ，h)參數(shù)組合的性能指標(biāo)2

表5　不同(θ，h)參數(shù)組合的性能指標(biāo)3

由前文提到的本設(shè)計(jì)方案的要求：輸出轉(zhuǎn)矩允許下限值為80 N·m，渦流損耗上限值為500 W，所以?xún)?yōu)化后的參數(shù)選擇為θ=55°、α=40°以及h=10 mm。

3　仿真驗(yàn)證

仿真在上文優(yōu)化后的參數(shù)下進(jìn)行，其余參數(shù)見(jiàn)表1，仿真結(jié)果見(jiàn)圖9。

從仿真結(jié)果可以明顯看出：進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化后的改進(jìn)型永磁調(diào)速器性能明顯提高，與優(yōu)化前相比，輸出轉(zhuǎn)矩由80 N·m左右提高到87 N·m，氣隙磁密波形的諧波明顯減少，因此優(yōu)化方法是可行的。

(a)轉(zhuǎn)矩仿真曲線(xiàn)

(b)氣隙磁密波形傅里葉分解圖9　仿真驗(yàn)證曲線(xiàn)

4　結(jié)論

針對(duì)嵌入瓦片形磁極的軸向APMC容易形成共振的問(wèn)題，提出一種改進(jìn)型軸向APMC-嵌入梯形磁極的軸向APMC。以渦流損耗、輸出轉(zhuǎn)矩以及氣隙磁密波形畸變率為設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，使用有限元法對(duì)改進(jìn)型APMC進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化并得到了理想的結(jié)構(gòu)參數(shù)。本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)型軸向APMC能夠有效減少振動(dòng)，提高運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性，可以應(yīng)用于高精密儀器制造、旋轉(zhuǎn)設(shè)備精確調(diào)速等對(duì)于轉(zhuǎn)速控制精確度要求較高的工作場(chǎng)合。

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