電磁阻尼器氣隙磁通密度對(duì)力矩特性的影響

王燕芳, 羅 玲

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院, 河南鄭州 450015;2.西北工業(yè)大學(xué), 陜西西安 710072)

0 引 言

本文研究的電磁阻尼器依據(jù)空心杯電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主要用于飛船及空間站的交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)中,阻尼器與壓縮運(yùn)動(dòng)裝置組成電磁對(duì)接減振系統(tǒng), 在兩個(gè)航天器進(jìn)行空間對(duì)接的過(guò)程中, 吸收對(duì)接機(jī)構(gòu)之間接觸撞擊產(chǎn)生的巨大能量, 使交會(huì)對(duì)接過(guò)程平穩(wěn)[1 -2] 。

電磁阻尼器的阻尼力矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系稱為力矩特性。阻尼力矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的比值為力矩特性斜率如下:

力矩特性是電磁阻尼器最重要的外特性, 其特性的好壞直接影響著阻尼器對(duì)能量的吸收和耗散。當(dāng)電磁阻尼器力矩特性為線性時(shí),研究阻尼力矩與某參數(shù)的關(guān)系可以轉(zhuǎn)化為研究力矩特性斜率與該參數(shù)的關(guān)系。

1 結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

電磁阻尼器轉(zhuǎn)子為一特殊結(jié)構(gòu)的金屬體電樞杯,定子采用內(nèi)磁式分立結(jié)構(gòu), 由外定子和內(nèi)定子組成, 稀土永磁體位于內(nèi)定子上,轉(zhuǎn)子杯位于稀土永磁體和外定子之間。機(jī)殼、內(nèi)定子、永磁體和工作氣隙構(gòu)成了阻尼器的閉合磁路,在工作氣隙中建立一個(gè)工作磁場(chǎng)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電磁阻尼器結(jié)構(gòu)

原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),金屬轉(zhuǎn)子杯切割定子磁場(chǎng), 從而在轉(zhuǎn)子杯中感應(yīng)出渦電流,渦電流與定子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)子杯轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的力矩, 這個(gè)力矩具有阻礙電樞轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的作用,稱其為阻尼轉(zhuǎn)矩[3]。該電磁阻尼器的工作原理相當(dāng)于一臺(tái)內(nèi)部短路的杯形電樞發(fā)電機(jī)。

該電磁阻尼器具備了空心杯電機(jī)體積小、重量輕、低慣量、驅(qū)動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn),又因其結(jié)構(gòu)的特殊性,還具有以下特點(diǎn)[4]:

(1)比起繞線式轉(zhuǎn)子杯結(jié)構(gòu), 金屬轉(zhuǎn)子杯工藝難度較小,電樞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較好;

(2)內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)可以使轉(zhuǎn)子直徑較大,提高單位長(zhǎng)度出力;

(3)轉(zhuǎn)子杯為金屬體,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不需要外部電源和控制,使用比較安全。

2 三維瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真模型的簡(jiǎn)化

由于電磁阻尼器轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為一特殊的金屬杯,其端部除了兩端的外定子機(jī)殼, 還包含了轉(zhuǎn)子杯的杯底部分。軟件的二維仿真無(wú)法實(shí)現(xiàn)不同軸向變化的動(dòng)態(tài)求解。在此, 特采用MagNet有限元電磁場(chǎng)分析軟件進(jìn)行電磁阻尼器的三維仿真。

為準(zhǔn)確仿真電磁阻尼器力矩特性,需建立與樣機(jī)完全一致的樣機(jī)整體模型,如圖1所示。

三維運(yùn)動(dòng)仿真要求硬件配置高、耗時(shí)長(zhǎng), 為降低仿真硬件的配置和加快三維運(yùn)動(dòng)求解的速度, 在此去掉樣機(jī)兩側(cè)端部的外定子機(jī)殼,建立樣機(jī)簡(jiǎn)化三維仿真模型,如圖2所示。

圖2 樣機(jī)簡(jiǎn)化模型

模型求解建立三維空間坐標(biāo), Z軸位于轉(zhuǎn)軸中心線上,轉(zhuǎn)子杯開(kāi)口方向設(shè)為正方向,過(guò)磁鋼軸向中點(diǎn)垂直Z軸的橫截面設(shè)為XOY坐標(biāo)平面。

過(guò)XOY坐標(biāo)平面作切片,獲取電磁阻尼器的橫向剖面圖, 如圖3所示。

圖3 電磁阻尼器的橫向剖面圖

在轉(zhuǎn)子杯與內(nèi)定子之間的氣隙內(nèi),沿軸向采樣圓周半徑為11.675 mm上的氣隙磁通密度波形如圖4所示。

圖4 軸向氣隙磁通密度波形

軸向氣隙磁通密度波形顯示, 在轉(zhuǎn)子杯切割氣隙磁場(chǎng)范圍內(nèi), 電磁阻尼器端部機(jī)殼漏磁對(duì)氣隙磁通密度幾乎無(wú)影響。所以, 進(jìn)行電磁阻尼器三維瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真時(shí), 可忽略電磁阻尼器端部的外定子機(jī)殼, 采用三維簡(jiǎn)化模型求解。

3 模型參數(shù)及仿真

本文中電磁阻尼器三維仿真模型的磁鋼均為瓦形徑向充磁, 極弧系數(shù)為0.75, 磁鋼長(zhǎng)度為48 mm,轉(zhuǎn)子杯長(zhǎng)度為49.5 mm,轉(zhuǎn)子杯底厚度為2.5 mm,轉(zhuǎn)子平均直徑為24.5 mm, 轉(zhuǎn)子杯厚度為0.8 mm,轉(zhuǎn)子杯與內(nèi)、外定子間的氣隙厚度均為0.35 mm,轉(zhuǎn)子材料為硬鋁。

磁鋼材料分別選取釹鐵硼NNF33M和釤鈷材料Sm2Co17、SmCo5三種永磁材料, 磁鋼材料性能參數(shù)取值如表1所示。

表1 磁鋼材料選取值

磁極對(duì)數(shù)分別為1、2、3對(duì)極時(shí),過(guò)XOY平面作三維運(yùn)動(dòng)仿真模型的橫向剖面圖, 分別如圖5a、圖5b、圖5c所示。

圖5 不同磁極對(duì)數(shù)下三維仿真模型橫向剖面圖

三維瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真求解, 得磁極對(duì)數(shù)1、2、3對(duì)極下三種磁鋼材料釹鐵硼 NNF33M、釤鈷材料Sm2Co17、SmCo5對(duì)應(yīng)的電磁阻尼器力矩特性曲線,如圖6所示。

圖6 不同仿真模型對(duì)應(yīng)求解力矩特性曲線

分析圖6中不同磁極對(duì)數(shù)、不同磁鋼材料下的力矩特性曲線可知, 在轉(zhuǎn)速0～5 000 r/min仿真范圍內(nèi),電磁阻尼器力矩特性曲線近似為線性。

4 氣隙磁通密度對(duì)力矩特性的影響

4.1 氣隙平均磁密對(duì)阻尼力矩的影響

做過(guò)三維動(dòng)態(tài)仿真模型XOY坐標(biāo)平面的切片,在切片磁密分布云圖狀態(tài)下, 獲取圓周半徑為11.675 mm一圓周上的氣隙磁通密度波形。以2對(duì)極、磁鋼材料為Sm2Co17為例, 求取氣隙磁通密度波形,如圖7所示。

圖7 Magnet軟件求取的氣隙磁密波形

圖中左側(cè)數(shù)值是由Magnet軟件自身將所選氣隙圓周等距離分成1 001個(gè)點(diǎn)獲取的對(duì)應(yīng)氣隙磁密值。將該組氣隙磁密數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入到Excel軟件中,相加取平均得氣隙平均磁密:

根據(jù)式(2), 求取不同磁極對(duì)數(shù)在不同磁鋼材料下的氣隙平均磁密,如表2所示。

表2 氣隙平均磁密值

以相同極對(duì)數(shù)下兩種不同磁鋼材料的氣隙平均磁密比值的平方為參考, 根據(jù)式(3), 求取兩種磁鋼材料下阻尼力矩比值的相對(duì)誤差εr:

任選某對(duì)極下兩種磁鋼材料對(duì)應(yīng)氣隙平均磁密比值的平方為參考值, 求取兩種磁鋼材料對(duì)應(yīng)阻尼力矩比值的相對(duì)誤差, 從中選取最小相對(duì)誤差εrmin與最大相對(duì)誤差εrmax,如表3所示。

表3 氣隙平均磁密比值平方與對(duì)應(yīng)阻尼力矩的相對(duì)誤差

分析表3中的數(shù)據(jù)可知, 1對(duì)極時(shí),阻尼力矩比值相對(duì)于氣隙平均磁密比值平方的最大相對(duì)誤差εrmax=0.488%, 最小相對(duì)誤差εrmin=0.080%;2 對(duì)極時(shí),最大相對(duì)誤差εrmax=0.290%,最小相對(duì)誤差εrmin=0.007%;3 對(duì)極時(shí), 最大相對(duì)誤差 εrmax=0.428%,最小相對(duì)誤差εrmin=0.080%。綜合分析可得阻尼力矩與氣隙平均磁密的平方近似成正比,磁極對(duì)數(shù)為2對(duì)極時(shí),相對(duì)誤差較小, 磁極對(duì)數(shù)為1對(duì)極、3對(duì)極時(shí), 相對(duì)誤差較大。

4.2 氣隙磁密基波幅值對(duì)阻尼力矩的影響

采用Magnet軟件的工具AirGapFlux-Calculator對(duì)氣隙磁密波形進(jìn)行傅里葉變換(DFT), 獲取不同磁極對(duì)數(shù)下不同磁鋼材料對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的氣隙磁密基波幅值, 如表4所示。

表4 氣隙磁密基波幅值

以兩種磁鋼材料對(duì)應(yīng)氣隙磁密基波幅值比的平方為參考值, 求取不同磁極對(duì)數(shù)下兩種磁鋼材料對(duì)應(yīng)阻尼力矩比值的相對(duì)誤差, 給出其中相對(duì)誤差的最小值εrmin和最大值εrmax,如表5所示。

表5 氣隙磁密基波幅值比平方與對(duì)應(yīng)阻尼力矩的相對(duì)誤差

比較分析表3與表5中的數(shù)據(jù), 阻尼力矩比值相對(duì)于氣隙磁密基波幅值比值平方的相對(duì)誤差比起阻尼力矩比值相對(duì)于氣隙平均磁密比值平方的相對(duì)誤差減小了很多, 磁極對(duì)數(shù)為2對(duì)極、3對(duì)極時(shí), 相對(duì)誤差也都相應(yīng)減小。所以, 在0～5 000 r/min仿真轉(zhuǎn)速范圍內(nèi), 當(dāng)電磁阻尼器磁鋼材料變化時(shí),阻尼力矩值與氣隙磁密基波幅值的平方基本成正比關(guān)系。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)電磁阻尼器不同磁鋼材料、磁極對(duì)數(shù)下磁路結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的建模仿真, 在0～5 000 r/min仿真速度范圍內(nèi),研究分析了氣隙平均磁密、氣隙磁密基波幅值對(duì)電磁阻尼器力矩特性的影響。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)的分析研究, 得出結(jié)論如下:

(1)電磁阻尼器力矩特性近似為線性;(2)電磁阻尼器阻尼力矩與氣隙磁密基波幅值的平方成正比關(guān)系。

[1] 王有林, 劉景林.電磁阻尼器設(shè)計(jì)研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 24(3):358 -362.

[2] 楊芳, 曲廣吉.空間對(duì)接機(jī)構(gòu)差動(dòng)式機(jī)電緩沖阻尼系統(tǒng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理分析[J] .力學(xué)與實(shí)踐, 2000, 22(6):51 -54.

[3] 羅玲, 劉景林.空心杯電樞永磁直流電動(dòng)機(jī)CAD系統(tǒng)[J] .微電機(jī), 2002, 35(1):17 -19.

[4] 楊菲菲.電磁阻尼加器力矩特性研究[D] .西北工業(yè)大學(xué),2007.