永磁調(diào)速器渦流及溫度場的耦合分析與計算

赫勝男

摘要：本文針對永磁調(diào)速器發(fā)熱的復(fù)雜性以及永磁體高溫易退磁的特點，建立了500kW永磁調(diào)速器穩(wěn)態(tài)運行條件下的電磁場與三維溫度場耦合的求解域物理模型，給出了求解域內(nèi)的基本假設(shè)及相應(yīng)的邊界條件。運用ANSYS Workbench對永磁調(diào)速器銅盤、鋼盤及永磁體進行了三維溫度場仿真分析，確定溫度分布，可為永磁調(diào)速器的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計以及更大容量永磁調(diào)速器溫度場的準確計算提供理論依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]永磁調(diào)速器溫度場損耗三維有限元法電磁場

本文以一臺500kW永磁調(diào)速器為例，建立永磁調(diào)速器的電磁場與溫度場耦合求解的三維數(shù)學(xué)模型和物理模型。結(jié)合工程實際確定了基本假設(shè)和邊界條件，采用有限元法確定銅盤、永磁體溫度分布規(guī)律，確定了永磁調(diào)速器的最高溫升區(qū)域。

1解析模型

1.1電磁場的數(shù)學(xué)模型

其中：β為材料的磁阻率;n為T2和T3的法線方向;μo為空氣的磁導(dǎo)率;

1.2溫度場的數(shù)學(xué)模型

邊值問題方程為：

其中：r為樣機的邊界，為逆時針方向;To為已知表面溫度;qo為已知熱流密度;d，T，分別是換熱系數(shù)和換熱面溫度。

2磁場有限元模型

永磁調(diào)速器為單組盤式結(jié)構(gòu)，永磁材料選用釹鐵硼永磁體，銅盤選用黃銅H62規(guī)格，永磁體磁極數(shù)為28個，銅盤內(nèi)半徑210mm，外半徑390mm，厚度6mm;鋁盤內(nèi)半徑45mm，外半徑342mm，厚度32mm;氣隙寬度3mm。

3永磁調(diào)速器溫度場有限元模型

永磁調(diào)速器的熱源主要以銅盤上的渦流損耗為主，銅盤上熱源的生成率可以通過下面的公式得到，其中P，為永磁調(diào)速器的渦流損耗，Vcu為銅盤體積。

4三維溫度場有限元分析結(jié)果

首先計算永磁調(diào)速器既定滑差與氣隙下的渦流損耗功率，并以此為熱源載荷，導(dǎo)入ANSYS Workbench瞬態(tài)熱分析模塊，導(dǎo)入載荷等步驟可計算永磁調(diào)速器的溫度場。將ANSYS Maxwell仿真得到的渦流場作為激勵源，耦合到ANSYS Workbench中作為主要熱源，在設(shè)置銅盤的對流系數(shù)和輻射散熱系數(shù)，設(shè)置起始時間步為0.0ls，最大時間步為0.1s，結(jié)束時間為200s，計算到2400步收斂。

圖1為永磁體三維溫度場分布，樣機采用自然冷卻，永磁調(diào)速器銅盤各個部位溫度相差不大，由于永磁調(diào)速器只有渦流損耗作為熱源，因此永磁體溫升較低。永磁材料的溫度遠遠小于其安全工作溫度，最高處為80.344'C。所以永磁材料不會發(fā)生退磁現(xiàn)象。

圖2為銅盤從內(nèi)徑向外徑變化時溫度的分布，用ANSYS Workbench在銅盤上布置11個探測器，測出不同的半徑下溫度的大小，繪制出一條溫度曲線，直觀的看出銅盤上的溫度分布，在265mm處溫度最高達到187.62°C。

5結(jié)論

本文首先通過溫度場分析原理，建立了樣機溫度場分析的有限元模型。在ANSYS Workbench分析了永磁調(diào)速器各部分的溫度分布，結(jié)果顯示最高溫度出現(xiàn)在銅盤上，永磁材料的溫度遠遠小于150°C的安全工作溫度。所以永磁材料不會發(fā)生退磁現(xiàn)象。

參考文獻

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