基于Ansoft Maxwell的永磁調(diào)速器有限元分析

張賽,梁志強(qiáng),郭永鐵

（1.天津吉玄節(jié)能技術(shù)股份有限公司,天津300384；2.黑龍江科技大學(xué)工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心,黑龍江哈爾濱150022）

能源是人類生活和發(fā)展中不可或缺的重要組成部分,我國(guó)既是能源生產(chǎn)大國(guó)又是能源消耗大國(guó),永磁調(diào)速器的出現(xiàn)對(duì)我國(guó)節(jié)約能源有著重要意義.Thomas等[1]于1994年首先提出渦流聯(lián)軸器,經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展取得了一定的成果[2-3],并已經(jīng)開始應(yīng)用于電力、化工、石油、冶金、礦山等領(lǐng)域.永磁調(diào)速器能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境,具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、壽命長(zhǎng)、可靠性高、無(wú)電磁波干擾等優(yōu)點(diǎn),與傳統(tǒng)調(diào)速裝備相比具有更高的應(yīng)用價(jià)值.我國(guó)對(duì)永磁渦流傳動(dòng)技術(shù)的研究和應(yīng)用晚于歐美國(guó)家,但在部分高校、科研院所及相關(guān)企業(yè)的支持下,永磁渦流傳動(dòng)技術(shù)的理論和實(shí)踐發(fā)展很快[4-6].目前,永磁調(diào)速器運(yùn)行穩(wěn)定性、渦流損耗、本體散熱等問(wèn)題亟待解決.本文主要分析了永磁調(diào)速器導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子的滑差對(duì)其輸出扭矩以及渦流損耗的影響,為永磁調(diào)速器后續(xù)研究提供了理論基礎(chǔ).

1 永磁調(diào)速器的分類和工作原理

1.1 永磁調(diào)速器分類

永磁調(diào)速器是在永磁耦合器的基礎(chǔ)上研發(fā)的一種可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速節(jié)能目的的調(diào)速機(jī)械,屬于異步磁力傳動(dòng)設(shè)備,其利用的是永磁渦流傳動(dòng)技術(shù).在永磁調(diào)速器工作過(guò)程中,導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子之間存在一定滑差,在無(wú)接觸的情況下將扭矩從電機(jī)端傳遞到負(fù)載端.由于導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子不接觸,因此可以避免振動(dòng)干擾,降低傳動(dòng)件的損耗,同時(shí)可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng).永磁調(diào)速器的結(jié)構(gòu)形式多種多樣,用途各不相同.根據(jù)永磁體磁通量方向不同,永磁調(diào)速器可以分為盤式和筒式兩類,盤式永磁調(diào)速器磁通量方向?yàn)檩S向,通過(guò)調(diào)節(jié)兩轉(zhuǎn)子的氣隙實(shí)現(xiàn)調(diào)速；筒式永磁調(diào)速器磁通量方向?yàn)閺较?通過(guò)調(diào)節(jié)兩轉(zhuǎn)子的耦合面積實(shí)現(xiàn)調(diào)速,如圖1所示.

盤式調(diào)速器屬于第一代永磁調(diào)速器,由美國(guó)的Magnadrive公司研發(fā)設(shè)計(jì)并廣泛應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、泵類等旋轉(zhuǎn)設(shè)備上,其傳遞效率最高可達(dá)到98.5%.筒式永磁調(diào)速器屬于在盤式永磁調(diào)速器的基礎(chǔ)上研發(fā)的第二代永磁調(diào)速器,與盤式永磁調(diào)速器相比,筒式永磁調(diào)速器有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）體積小、對(duì)系統(tǒng)影響?。?/p>

（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便安裝與維護(hù)；

（3）軸向力小,可靠性高；

（4）漏磁小,調(diào)速范圍大；

（5）散熱效果好,噪音小.

1.2 永磁調(diào)速器工作原理

永磁調(diào)速器主要由導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成,導(dǎo)體轉(zhuǎn)子包括外背鐵、散熱片和銅環(huán),永磁轉(zhuǎn)子包括內(nèi)背鐵、固定環(huán)和永磁體,其安裝效果如圖2所示.

導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與負(fù)載連接,永磁轉(zhuǎn)子與電機(jī)連接.當(dāng)電機(jī)未啟動(dòng)時(shí),永磁轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng),銅環(huán)上無(wú)感應(yīng)電流產(chǎn)生,導(dǎo)體轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí),銅環(huán)切割永磁體產(chǎn)生的磁感線,其表面形成電渦流,電渦流產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng),電渦流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)與永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互耦合,使得永磁轉(zhuǎn)子帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng).根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況,通過(guò)調(diào)節(jié)兩轉(zhuǎn)子的耦合面積（氣隙）改變永磁調(diào)速器的輸出扭矩,可改變負(fù)載端的轉(zhuǎn)速.當(dāng)負(fù)荷降低時(shí),兩轉(zhuǎn)子的嚙合面積（或增大兩轉(zhuǎn)子的氣隙）減小,通過(guò)銅環(huán)的磁力線減少,導(dǎo)致負(fù)載端扭矩和轉(zhuǎn)速隨之減小,同時(shí)電機(jī)的輸出功率降低,從而達(dá)到節(jié)能的目的.當(dāng)負(fù)荷增加時(shí),兩轉(zhuǎn)子的嚙合面積（或減小兩轉(zhuǎn)子的氣隙）增大,使永磁調(diào)速器輸出端扭矩上升以適應(yīng)實(shí)際工況.

天津吉玄節(jié)能技術(shù)股份有限公司在筒式永磁調(diào)速器的基礎(chǔ)上研發(fā)了一種磁屏蔽式永磁調(diào)速器[7],如圖3所示.該永磁調(diào)速器工作時(shí)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子均無(wú)軸向移動(dòng),通過(guò)調(diào)節(jié)屏蔽套筒的位置改變兩轉(zhuǎn)子耦合,最終達(dá)到節(jié)能的目的.與傳統(tǒng)永磁調(diào)速器相比,其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)過(guò)程中無(wú)軸向力、軸向尺寸小、現(xiàn)場(chǎng)改造不移基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn).

圖3 磁屏蔽式永磁調(diào)速器Fig.3 The magnetically shielded permanentmagnet governor

2 建立永磁調(diào)速器模型

設(shè)定永磁調(diào)速器安裝在三相異步電動(dòng)機(jī)上,電動(dòng)機(jī)額定功率為280 kW,額定轉(zhuǎn)速為1 480 r/min.運(yùn)用Ansoft Maxwell對(duì)永磁調(diào)速器三維模型進(jìn)行瞬態(tài)磁場(chǎng)分析,導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子滑差控制在1.5%以內(nèi).

2.1 數(shù)學(xué)模型

本文采用有限元方法對(duì)永磁調(diào)速器進(jìn)行三維電磁場(chǎng)仿真,分析其磁場(chǎng)分布、輸出扭矩、渦流場(chǎng)及渦流損耗等規(guī)律.采用Maxwell方程組來(lái)描述和求解電磁場(chǎng),計(jì)算區(qū)域忽略位移電流效應(yīng),Maxwell方程組為[8]

式（1）中：▽為矢量算子；H/（A/m）為磁場(chǎng)強(qiáng)度；J/（A/m2）為傳導(dǎo)電流密度；E/（V/m）為電場(chǎng)強(qiáng)度,B/T為磁通密度.

考慮永磁體時(shí)磁場(chǎng)中媒質(zhì)本構(gòu)關(guān)系為

式（2）中：μ為磁導(dǎo)率,μ0為真空磁導(dǎo)率,μ0=4×10-7；M0/（A/m）為本征剩余磁化矢量.

在實(shí)際計(jì)算中,為了簡(jiǎn)化計(jì)算引入矢量磁勢(shì)A,其定義如下

永磁調(diào)速器導(dǎo)體轉(zhuǎn)子中總的電流密度為

式（4）中：Je為變化磁場(chǎng)產(chǎn)生的電流sv

式（5）—（7）中：σ 為電導(dǎo)率；v為導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)速度.

由式（1）—（7）得到導(dǎo)體區(qū)域的控制方程

永磁體區(qū)的控制方程為

內(nèi)外背鐵和空氣的控制方程為

根據(jù)公式（8）—（10）可求解磁感應(yīng)強(qiáng)度B、電流密度J等電磁場(chǎng)量.

2.2 仿真模型

根據(jù)永磁調(diào)速器核心零部件建立其三維模型進(jìn)行仿真分析,如圖4所示,并做如下假設(shè)：

（1）模型中所有材料屬性為各向同性且均勻分布；

（2）忽略由于裝配和轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)零件所產(chǎn)生的彈性變形；

（3）永磁體充磁方向?yàn)閺较虺浯徘掖呕鶆颍?/p>

（4）本文對(duì)不同滑差下的全耦合狀態(tài)永磁調(diào)速器進(jìn)行仿真分析,為簡(jiǎn)化計(jì)算,模型中不含有磁屏蔽套筒；

（5）根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理,假設(shè)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子固定,永磁轉(zhuǎn)子以一定速度（滑差）運(yùn)動(dòng).

圖4 永磁調(diào)速器三維模型Fig.4 The 3Dmodel of permanent magnetgovernor

3 仿真分析

磁屏蔽式永磁調(diào)速器主要由外背鐵、銅環(huán)、磁屏蔽套筒、永磁體固定環(huán)、永磁體、永磁體內(nèi)背鐵等零件構(gòu)成,16個(gè)永磁體N、S極交替排列在永磁體固定環(huán)上.所有材料中,永磁體材料的選擇尤為關(guān)鍵.永磁體材料需要有很大的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度以及良好的矯頑力、熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性、耐磨性,永磁體材料為釹鐵硼,牌號(hào)為N46SH.內(nèi)背鐵、外背鐵、磁屏蔽套筒材料為Q235,永磁體固定環(huán)材料為鋁7075-T6,銅環(huán)材料為紫銅T2,其材料屬性如表1所示.

表1 材料參數(shù)Tab.1 The parameters of material

根據(jù)滑差控制要求,運(yùn)用Ansoft Maxwell分別對(duì)滑差為4、8、12、16、20 r/min的永磁調(diào)速器進(jìn)行瞬態(tài)磁場(chǎng)仿真.通過(guò)band命令定義導(dǎo)體轉(zhuǎn)子固定,永磁轉(zhuǎn)子與其產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),即導(dǎo)體轉(zhuǎn)子速度設(shè)為0,永磁轉(zhuǎn)子速度分別為4、8、12、16、20 r/min.永磁體采用矩形充磁方式,在其表面加載邊界條件,N、S極交替排列.運(yùn)用Ansoft自帶劃分網(wǎng)格工具進(jìn)行網(wǎng)格劃分,劃分完畢后對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算及后期處理.

3.1 永磁調(diào)速器磁場(chǎng)分析

永磁調(diào)速器在某一穩(wěn)定時(shí)刻的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖和磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布如圖5、圖6所示.

圖5 磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖Fig.5 The cloud chart of magnetic induction intensity

圖6 磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布Fig.6 The vector distribution chart of magnetic induction intensity

由圖5、圖6可知,磁場(chǎng)主磁路從永磁體N極出發(fā),磁場(chǎng)線沿徑向依次穿過(guò)永磁體固定環(huán)、氣隙和銅環(huán),在外背鐵中沿圓周方向傳遞,再沿徑向穿過(guò)銅環(huán)、氣隙和永磁體固定環(huán),到達(dá)相鄰的永磁體S極,最后在內(nèi)背鐵閉合,形成完整回路.有部分磁場(chǎng)線未穿過(guò)銅環(huán),直接穿過(guò)氣隙進(jìn)入相鄰永磁體S極,該部分磁場(chǎng)線稱為漏磁.漏磁現(xiàn)象削弱了永磁體對(duì)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子的作用,降低了永磁體磁場(chǎng)利用率,在設(shè)計(jì)永磁調(diào)速器過(guò)程中應(yīng)盡量減小漏磁現(xiàn)象.

3.2 永磁調(diào)速器扭矩分析

永磁調(diào)速器作為一種傳動(dòng)裝置,傳遞扭矩為其根本目的,因此扭矩為永磁調(diào)速器最重要的性能指標(biāo).永磁調(diào)速器傳遞扭矩受銅環(huán)厚度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、滑差等因素的影響,本文重點(diǎn)對(duì)滑差與扭矩的關(guān)系進(jìn)行分析.通過(guò)Ansoft Maxwell對(duì)不同滑差下的永磁調(diào)速器進(jìn)行仿真分析,得到其在相應(yīng)滑差下的最大扭矩,運(yùn)用Matlab對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到不同滑差下的最大扭矩曲線圖（見(jiàn)圖7）.

圖7 不同滑差下的輸出扭矩Fig.7 The torque under different slips

由圖7可知,不同滑差下扭矩隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致,輸出扭矩先急速增長(zhǎng),然后趨于穩(wěn)定,這是由于導(dǎo)體轉(zhuǎn)子開始切割永磁體產(chǎn)生的磁感線產(chǎn)生渦流,使扭矩迅速增大；滑差越大永磁調(diào)速器可傳遞的扭矩越大,這是由于滑差越大,導(dǎo)體轉(zhuǎn)子切割磁感線的頻率越快,生產(chǎn)的感應(yīng)磁場(chǎng)也就越大,因此傳遞的扭矩越大；滑差越大,永磁調(diào)速器達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間越短.

3.3 永磁調(diào)速器渦損耗分析

永磁調(diào)速器在傳遞扭矩的同時(shí)會(huì)在導(dǎo)體轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生渦流,渦流不僅是永磁調(diào)速器傳遞扭矩的原因還是其能量損耗的主要原因.損耗的能量以熱的形式散發(fā)出去,使永磁體的溫度升高,降低永磁體的使用性能,同時(shí)也造成部分機(jī)械能量損失,降低了永磁調(diào)速器的傳遞效率.通過(guò)渦流損耗云圖（見(jiàn)圖8）可以看出渦流主要產(chǎn)生在銅環(huán)上.

圖8 渦流損耗云圖Fig.8 The cloud chart of eddy current loss

運(yùn)用Matlab對(duì)不同滑差下所產(chǎn)生的渦流損耗進(jìn)行擬合,結(jié)果見(jiàn)圖9.

圖9 不同滑差下的渦流損耗Fig.9 The eddy current loss under different slips

由圖9可知,隨著時(shí)間的增加,渦流損耗急劇增大,然后逐漸趨于穩(wěn)定.滑差越大渦流損耗越大,這是由于滑差越大,導(dǎo)體轉(zhuǎn)子切割磁場(chǎng)線的頻率越高,銅環(huán)上同一區(qū)域產(chǎn)生的渦流越大,因此產(chǎn)生的損耗越大.

3.4 永磁調(diào)速器滑差與渦流損耗、輸出扭矩的關(guān)系

通過(guò)Ansoft Maxwell仿真分析,得到不同滑差下趨于穩(wěn)定后永磁調(diào)速器輸出扭矩與渦流損耗值,結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 不同滑差下扭矩與渦流損耗Tab.2 The torque and eddy current loss under different slips

通過(guò)Matlab對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合,得到不同滑差下輸出扭矩與渦流損耗的關(guān)系,如圖10所示.

圖10 滑差與渦流損耗、扭矩關(guān)系Fig.10 The relationship between slip and eddy current loss and torque

由圖10可知,永磁調(diào)速器滑差由4 r/min增加到20 r/min,輸出扭矩由0.72 kN·m增加到2.74 kN·m,增長(zhǎng)了280%,渦流損耗由0.27 kW增加到5.73 kW,增長(zhǎng)了2 022%.永磁調(diào)速器在工作中,隨著滑差的增大,渦流損耗的增長(zhǎng)率要遠(yuǎn)高于輸出扭矩的增長(zhǎng)率.因此從能量損失方面考慮,在設(shè)計(jì)永磁調(diào)速器時(shí)要避免滑差過(guò)大.

4 小結(jié)

影響永磁調(diào)速器傳遞特性的因素眾多,設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡量提高永磁體的利用率,減少漏磁現(xiàn)象.為充分利用磁能,銅環(huán)與永磁體之間的間隙應(yīng)盡可能小.永磁調(diào)速器工作過(guò)程中渦流主要產(chǎn)生在銅環(huán)上,即銅環(huán)為永磁調(diào)速器主要的發(fā)熱源,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮銅環(huán)的散熱方式,避免溫度過(guò)高影響其工作性能.實(shí)際工作中可以根據(jù)具體工況,調(diào)節(jié)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子的滑差來(lái)改變永磁調(diào)速器的輸出扭矩,從而降低電機(jī)的實(shí)際功率,達(dá)到節(jié)能的目的.本文通過(guò)對(duì)不同滑差下的全耦合永磁調(diào)速器進(jìn)行三維瞬態(tài)分析,獲得了滑差對(duì)輸出扭矩、渦流損耗的變化規(guī)律曲線圖.該變化規(guī)律可以為永磁調(diào)速器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化和實(shí)際工程應(yīng)用提供參考.