軸向永磁調(diào)速器溫度場仿真分析

何文博，關(guān)煥新

(沈陽工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

在我國工業(yè)生產(chǎn)中，通常使用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力的輸入元件來拖動(dòng)負(fù)載。在傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)與負(fù)載之間通常設(shè)置聯(lián)軸器，所以聯(lián)軸器的性能以及效率高低決定了整個(gè)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的效率。過去，聯(lián)軸器使用硬機(jī)械連接方式，硬機(jī)械連接方式采用的是接觸傳遞扭矩，傳動(dòng)不平穩(wěn)，系統(tǒng)振動(dòng)以及噪聲較大，運(yùn)行維護(hù)成本較高，系統(tǒng)可靠性較差，這種連接方式已逐漸被淘汰。

國內(nèi)主流的調(diào)速有液力耦合調(diào)速、變頻調(diào)速2種形式。近幾年，國內(nèi)對(duì)稀土永磁材料的研究逐漸增多，多種永磁設(shè)備不斷出現(xiàn)，永磁調(diào)速器應(yīng)運(yùn)而生。永磁調(diào)速是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新的突破性調(diào)速技術(shù)[1]，其具有傳動(dòng)效率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境要求低、安裝簡單、運(yùn)行維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，已被很多大型企業(yè)作為節(jié)能改造的手段，具有很好的市場前景。永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)

永磁調(diào)速器在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)差功率損耗大部分以熱量形式散失，導(dǎo)致其各部件溫度升高。而永磁材料在高溫下會(huì)發(fā)生不可逆的退磁現(xiàn)象[2]，這對(duì)永磁調(diào)速器的可靠性、壽命以及性能造成不良影響，因此分析計(jì)算永磁調(diào)速器的溫度場對(duì)整機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有重要意義。

本文利用Ansoft 3D仿真軟件，通過有限元方法，對(duì)軸向永磁調(diào)速器進(jìn)行模型仿真。其中，模型參數(shù)結(jié)合參數(shù)范圍選取公式以及現(xiàn)場調(diào)研(基于丹東蒲石河抽水儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目)的情況選取，利用模型對(duì)永磁體及銅盤的軸向溫度分布情況進(jìn)行分析，利用仿真圖形推導(dǎo)轉(zhuǎn)矩與銅盤以及轉(zhuǎn)子厚度、溫度與銅盤及轉(zhuǎn)子厚度的關(guān)系，驗(yàn)證本次模型參數(shù)選取的正確性，對(duì)永磁體部分參數(shù)的選取提供參考。

1 軸向有限元仿真模型建立

1.1 仿真模型參數(shù)的確定

參數(shù)值選取過大會(huì)造成材料的浪費(fèi)，反之選取過小會(huì)使電動(dòng)機(jī)出力不足，無法滿足運(yùn)行需求。因此合理的選取范圍是模型參數(shù)選取的前提。參數(shù)選取一般遵循如下方法。

a. 銅轉(zhuǎn)子

銅轉(zhuǎn)子參數(shù)主要包括轉(zhuǎn)子直徑、轉(zhuǎn)子厚度、長徑比，銅轉(zhuǎn)子的直徑選取可以參考如下公式：

(1)

式(1)可變化為

(2)

(3)

b. 氣隙厚度

氣隙厚度是影響永磁調(diào)速器性能的重要因素之一，氣隙厚度大，氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度小，傳動(dòng)能力不足；氣隙厚度小，氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度大，傳動(dòng)能力大[3]。因此，設(shè)計(jì)永磁調(diào)速器時(shí)，氣隙盡量小，但氣隙厚度的大小受到加工水平及支撐系統(tǒng)的剛度等影響，所以一般選2 mm以上。

c. 永磁轉(zhuǎn)子

永磁體材料根據(jù)運(yùn)行要求以及實(shí)際環(huán)境選擇，永磁體極數(shù)增多，磁場的變化頻率增大，輸出功率增大，但是極數(shù)增至一定程度時(shí)，永磁體間產(chǎn)生的漏磁增大，輸出功率反而減小，所以極數(shù)應(yīng)該合理選擇[4]。永磁體尺寸主要有磁極厚度hm、極弧系數(shù)αi。其中永磁體的厚度是指永磁體磁化方向的尺寸，永磁體厚度大，能夠提供磁路的磁動(dòng)勢大，但過厚會(huì)使磁路磁阻和漏磁增大，轉(zhuǎn)矩增加有限；若厚度小，則永磁調(diào)速器的出力不足，一般?。?/p>

(4)

式中：hm為磁體厚度；Ks為外磁路飽和系數(shù)；Kδ為氣隙修正系數(shù)；hg為氣隙厚度；Hc為磁體矯頑力。結(jié)合式(1)、式(2)、式(3)以及現(xiàn)場調(diào)研情況得到永磁體仿真模型參數(shù)，見表1。

表1 永磁體仿真模型參數(shù)

1.2 軸向有限元仿真模型

結(jié)合表1，利用Ansoft 3D仿真軟件作圖，如圖2所示。仿真環(huán)節(jié)設(shè)定region的尺寸間距為5 mm,band尺寸軸向間距為1 mm，徑向間距為5 mm,網(wǎng)格剖分設(shè)置為自定義，剖分永磁體剖分為10 mm，其余部件剖分為15 mm,仿真時(shí)間為1 s，步長為500 μs，誤差為0.005,邊界條件為零矢量邊界條件。

圖2 軸向永磁調(diào)速器有限元模型

2 溫升計(jì)算結(jié)果分析

有限元求解模型中，取15 ℃為初始溫度。

軸向永磁體在額定負(fù)載下的溫度分布如圖3所示?？梢郧逦乜闯龈邷貐^(qū)域位于永磁體靠近軸向銅盤的中心區(qū)域，這是由于永磁體上會(huì)產(chǎn)生永磁體渦流損耗并產(chǎn)生熱量。低溫區(qū)域主要位于與永磁轉(zhuǎn)子鋼盤相近的一側(cè)，這是由于熱量能通過鋼盤迅速散發(fā)出去。可以看出，溫度隨著軸向靠近鋼盤的方向遞減。

圖3 軸向永磁體溫度分布圖

由于參數(shù)量較多，為了簡化分析，只選取厚度作為自變量，繪制溫度與厚度關(guān)系圖。又由于實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，轉(zhuǎn)矩的大小也是影響永磁調(diào)速器的重要特性，所以利用轉(zhuǎn)矩圖與溫度圖結(jié)合分析。其他參數(shù)依然按照原始參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，利用Ansoft 3D仿真軟件參數(shù)化掃描功能得出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子厚度關(guān)系，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子厚度關(guān)系圖

由圖4可以看出，一開始隨著轉(zhuǎn)子厚度增大，轉(zhuǎn)矩會(huì)隨之增大，但是當(dāng)轉(zhuǎn)子厚度增大到一定程度時(shí)，轉(zhuǎn)矩增加不明顯，因?yàn)橛来朋w厚度增大，磁路中的磁阻以及漏磁也會(huì)增大[5]，扭矩增加趨于飽和，因此轉(zhuǎn)子厚度達(dá)到一定值后，厚度增加已經(jīng)意義不大。

溫度與轉(zhuǎn)子厚度關(guān)系如圖5所示。從圖5可以看出溫度受轉(zhuǎn)子厚度變化影響不大，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子厚度增大時(shí)，磁阻增大，但是渦流主要集中在銅盤上，升高的大部分熱量也在銅盤上產(chǎn)生，所以轉(zhuǎn)子厚度對(duì)轉(zhuǎn)子本身的溫度影響并不大。結(jié)合圖4與圖5，轉(zhuǎn)子厚度取到一定值后，在滿足出力的情況下，再增大轉(zhuǎn)子厚度對(duì)優(yōu)化性能已經(jīng)沒有效果。

圖5 溫度與轉(zhuǎn)子厚度關(guān)系圖

軸向銅盤的溫度分布如圖6所示。最高溫升集中在內(nèi)圓環(huán)1/5～2/3處，最高溫度達(dá)到107 ℃，這個(gè)范圍內(nèi)的圓環(huán)區(qū)域是磁場交變的重點(diǎn)區(qū)域。從溫度分布中可以清晰看出，銅環(huán)外部比內(nèi)部溫度低36 ℃，這是由于外部銅環(huán)與轉(zhuǎn)子外殼距離較近，熱傳導(dǎo)系數(shù)和散熱系數(shù)較好。

圖6 軸向銅盤溫度分布圖

轉(zhuǎn)矩與銅盤厚度關(guān)系如圖7所示。圖7可以看出，當(dāng)銅盤厚度開始增大時(shí)，轉(zhuǎn)矩隨之明顯增大，并在6～7 mm處達(dá)到峰值；之后銅盤厚度繼續(xù)增大時(shí)，渦流增加有限并趨近飽和，磁阻增大，損耗激增并轉(zhuǎn)化為熱量，因此轉(zhuǎn)矩反而降低。

圖7 轉(zhuǎn)矩與銅盤厚度關(guān)系圖

溫度與銅盤厚度關(guān)系如圖8所示。圖8可以看出，溫度隨銅盤厚度增大而升高，但是升高的幅度不明顯。銅盤厚度變大，磁阻變大，渦流損耗變大并轉(zhuǎn)化為熱量，因此銅盤溫度會(huì)隨之升高。結(jié)合圖7與圖8來看，銅盤厚度應(yīng)該依據(jù)實(shí)際要求來設(shè)計(jì)，當(dāng)銅盤厚度達(dá)到一定值后，增加厚度只會(huì)增加材料成本并且會(huì)使轉(zhuǎn)矩變小。

3 結(jié)束語

本文選取所需公式和現(xiàn)場實(shí)際要求對(duì)永磁調(diào)速器的參數(shù)，利用Ansoft 3D仿真軟件對(duì)永磁調(diào)速器

圖8 溫度與銅盤厚度關(guān)系圖

的銅盤和轉(zhuǎn)子進(jìn)行了軸向溫度仿真[6]，分別分析了永磁體銅盤和轉(zhuǎn)子的軸向溫度分布、厚度對(duì)轉(zhuǎn)矩與溫度的影響，為實(shí)際設(shè)計(jì)永磁體參數(shù)提供一定參考。