基于Ansoft的永磁調(diào)速器仿真研究

劉 偉 佟 強(qiáng) 鄭永利 婁 永

(1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100022；3.大慶油田有限責(zé)任公司井下作業(yè)分公司，黑龍江 大慶 163112)

永磁調(diào)速器是在永磁磁力耦合器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，作為一種新興節(jié)能調(diào)速裝置，在國(guó)外已被成功應(yīng)用于工業(yè)和軍事領(lǐng)域，但在我國(guó)僅在冶金、石化及電力等行業(yè)得到應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)永磁調(diào)速器的研究從未停止，Lequesne B等提出一種永磁調(diào)速器力矩-滑差的近似計(jì)算方法[1]；Canova A和Vusini B利用分離變量法來(lái)計(jì)算永磁調(diào)速器的輸出轉(zhuǎn)矩[2]；Razavi H K和Lamperth M U對(duì)永磁調(diào)速器的電磁場(chǎng)進(jìn)行了二維有限元計(jì)算[3]；王旭等對(duì)永磁調(diào)速器進(jìn)行了渦流場(chǎng)分析與性能計(jì)算[4]，結(jié)果表明通過(guò)有限元分析得到的輸出轉(zhuǎn)矩與實(shí)測(cè)值較為接近，更具有參考價(jià)值，但由于計(jì)算時(shí)忽略了溫度場(chǎng)、漏磁和多場(chǎng)耦合效應(yīng)的影響，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)仍存在一定的誤差。

在對(duì)圓盤(pán)式永磁調(diào)速器進(jìn)行相關(guān)理論研究后，筆者提出了一種改進(jìn)的有限元計(jì)算轉(zhuǎn)矩方法。分析溫度對(duì)永磁體性能參數(shù)的影響，得到既定條件下氣隙與永磁體溫度的關(guān)系曲線，將此條件導(dǎo)入Ansoft軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，最終得到優(yōu)化的輸出轉(zhuǎn)矩。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)與工作原理①

永磁調(diào)速器主要由3部分構(gòu)成(圖1)：與電機(jī)軸連接的主動(dòng)轉(zhuǎn)子、與負(fù)載軸連接的從動(dòng)轉(zhuǎn)子和電氣執(zhí)行器(包括自動(dòng)控制與手動(dòng)控制兩種)。主動(dòng)轉(zhuǎn)子由銅盤(pán)和銅盤(pán)背鐵兩部分組成，固定在電機(jī)軸上；從動(dòng)轉(zhuǎn)子由鋁盤(pán)、鋼盤(pán)和釹鐵硼永磁體3部分構(gòu)成，浮動(dòng)安裝在負(fù)載軸上。設(shè)備啟動(dòng)前，通過(guò)電氣執(zhí)行器將主、從轉(zhuǎn)子的氣隙拉大到一定程度；電機(jī)空載啟動(dòng)后會(huì)帶動(dòng)主動(dòng)轉(zhuǎn)子啟動(dòng)，此時(shí)由于氣隙距離較大，從動(dòng)轉(zhuǎn)子靜止；通過(guò)電氣執(zhí)行器減小主、從轉(zhuǎn)子的氣隙，使得永磁體盤(pán)跟隨銅盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，最終帶動(dòng)負(fù)載軸一同轉(zhuǎn)動(dòng)。控制器(即氣隙調(diào)節(jié)裝置)安裝在負(fù)載軸上，通過(guò)帶動(dòng)內(nèi)筒使從動(dòng)轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)水平移動(dòng)，從而改變氣隙的大小，控制輸出轉(zhuǎn)速。這種機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)的接觸傳動(dòng)技術(shù)，提出了一種全新的非接觸式傳動(dòng)技術(shù)，能有效降低機(jī)械振動(dòng)和電機(jī)啟動(dòng)電流，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命[5,6]。

圖1 永磁調(diào)速器的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

永磁調(diào)速器工作時(shí)，導(dǎo)體盤(pán)與電動(dòng)機(jī)連接，永磁體盤(pán)與負(fù)載連接。當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)體盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)體盤(pán)與永磁體盤(pán)之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)(即滑差)，導(dǎo)體盤(pán)通過(guò)滑差切割氣隙中的磁力線形成電渦流，使其在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力的作用。根據(jù)牛頓作用力與反作用力的關(guān)系，大小相等、方向相反的力會(huì)作用在磁體盤(pán)上，使得永磁體盤(pán)按照一定的速度跟隨導(dǎo)體盤(pán)旋轉(zhuǎn)。主、從動(dòng)盤(pán)運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)是阻礙導(dǎo)體盤(pán)與永磁體盤(pán)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，一旦沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就不會(huì)形成電渦流，導(dǎo)體盤(pán)也不會(huì)受到洛倫茲力，永磁體盤(pán)便不會(huì)旋轉(zhuǎn)。

2 三維建模與有限元仿真

根據(jù)所分析問(wèn)題的特點(diǎn)，對(duì)永磁調(diào)速器三維有限元模型做出如下假設(shè)：忽略機(jī)械結(jié)構(gòu)端部漏磁；忽略溫度對(duì)永磁體和導(dǎo)體盤(pán)性能的影響；認(rèn)為銅盤(pán)幾何形狀在常速運(yùn)動(dòng)下保持不變。

2.1 三維瞬態(tài)場(chǎng)的計(jì)算原理

Maxwell方程組是電磁場(chǎng)分析的理論基礎(chǔ)。根據(jù)以上假設(shè)，對(duì)于瞬態(tài)磁場(chǎng)，Maxwell方程組可簡(jiǎn)化為[7]：

(1)

式中B——磁通密度，T；

E——電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；

H——磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；

J——傳導(dǎo)電流密度，A/m2；

t——時(shí)間，s。

在式(1)的基礎(chǔ)上，可以構(gòu)造出兩個(gè)恒等式：

(2)

式中σ——電導(dǎo)率。

求解三維瞬態(tài)磁場(chǎng)時(shí)，其棱邊上的矢量位自由度采用一階元計(jì)算，節(jié)點(diǎn)上的標(biāo)題位自由度采用二階元計(jì)算。

在三維瞬態(tài)磁場(chǎng)中處理永磁調(diào)速器銅盤(pán)旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，需要引入對(duì)位移的離散計(jì)算，其離散公式為：

(3)

式中x——銅盤(pán)位移量。

2.2 建模與網(wǎng)格劃分

根據(jù)以上假設(shè)，利用AutoCAD軟件對(duì)永磁調(diào)速器進(jìn)行三維建模，然后將其導(dǎo)入Ansoft進(jìn)行三維瞬態(tài)磁場(chǎng)仿真。永磁調(diào)速器的三維模型如圖2所示，三維瞬態(tài)場(chǎng)網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖2 永磁調(diào)速器的三維模型

圖3 永磁調(diào)速器三維瞬態(tài)場(chǎng)網(wǎng)格劃分

2.3 有限元分析

2.3.1靜態(tài)分析

永磁調(diào)速器靜止時(shí)，銅盤(pán)處于靜止?fàn)顟B(tài)，不會(huì)切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，此時(shí)該裝置的磁路中只存在永磁場(chǎng)，沒(méi)有力矩的產(chǎn)生與傳遞；由于銅是較好的隔磁材料，銅盤(pán)的背鐵與永磁體之間沒(méi)有作用力[8]。

永磁調(diào)速器具有對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，鋼盤(pán)內(nèi)部有8塊永磁體沿圓周方向依次內(nèi)嵌排列，相鄰永磁體的充磁方向相反，所以磁通密度徑向?qū)ΨQ(chēng)分布，且呈正弦規(guī)律變化[9](圖4)，磁通密度的向量圖如圖5所示。

圖4 磁通密度分布云圖

圖5 磁通密度向量圖

2.3.2瞬態(tài)分析

永磁調(diào)速器的基本參數(shù)保持不變，在轉(zhuǎn)速為300r/min、氣隙值Hqx分別為2、3、4、5mm、步長(zhǎng)1.0mm的條件下對(duì)瞬態(tài)磁場(chǎng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6所示，可以看出：氣隙越小，輸出轉(zhuǎn)矩越大。

圖6 氣隙-輸出轉(zhuǎn)矩曲線

3 永磁體溫度性能的分析

永磁體的熱穩(wěn)定性是指環(huán)境溫度改變所引起的永磁體磁性參數(shù)變化的程度，又稱(chēng)溫度穩(wěn)定性。大多數(shù)永磁材料的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度隨溫度可逆變化的情況可以用溫度系數(shù)αBr來(lái)表示，其單位為1/K[10]，其計(jì)算式為：

(4)

式中B0、B1、B0′——在溫度分別為T(mén)0、T1、(20±2)℃時(shí)測(cè)得的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度。

同樣，還常用αHci表示永磁材料的內(nèi)稟矯頑力隨溫度可逆變化的程度，其單位為1/K，計(jì)算式為：

(5)

式中Hci′、Hci——在溫度分別為T(mén)0、T1時(shí)測(cè)得的內(nèi)稟矯頑力。

隨著溫度的升高，永磁材料的磁性將逐漸降低。對(duì)永磁調(diào)速器的永磁體性能進(jìn)行分析計(jì)算后得到剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度和內(nèi)稟矯頑力分別隨溫度變化的曲線如圖7、8所示。

圖7 剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度隨溫度變化的曲線

圖8 內(nèi)稟矯頑力隨溫度變化的曲線

考慮永磁體性能參數(shù)受溫度影響，經(jīng)仿真計(jì)算，氣隙與永磁體溫度的關(guān)系曲線如圖9所示，結(jié)果表明：氣隙越小，產(chǎn)生的電渦流越大，永磁體溫度越高。

圖9 氣隙與永磁體溫度的關(guān)系曲線

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

基于以上仿真數(shù)據(jù)構(gòu)建小功率圓盤(pán)式永磁調(diào)速器的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括變頻器、交流電動(dòng)機(jī)、扭矩/轉(zhuǎn)速儀、永磁調(diào)整器、直流電動(dòng)機(jī)和直流調(diào)速器。其中，變頻器調(diào)節(jié)交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；交流電動(dòng)機(jī)是驅(qū)動(dòng)銅盤(pán)旋轉(zhuǎn)的原動(dòng)機(jī)；直流電動(dòng)機(jī)和直流調(diào)速器是模擬負(fù)載；扭矩/轉(zhuǎn)速儀用于測(cè)量永磁調(diào)速器的輸出轉(zhuǎn)矩。建立基于永磁調(diào)速器的控制系統(tǒng)，通過(guò)控制器給定氣隙數(shù)值。

建立與永磁調(diào)速器實(shí)際大小一致的模型并進(jìn)行瞬態(tài)仿真，由于改進(jìn)后的有限元分析考慮了溫度對(duì)永磁體性能的影響，其數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更為接近(圖10)。

圖10 數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)永磁調(diào)速器進(jìn)行三維建模，利用Ansoft軟件對(duì)該裝置進(jìn)行靜態(tài)和瞬態(tài)磁場(chǎng)仿真。分析并計(jì)算永磁體的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度和內(nèi)稟矯頑力隨溫度變化的曲線，得到既定條件下氣隙-永磁體溫度曲線。由此提出一種改進(jìn)的有限元分析算法，該算法考慮了溫度對(duì)永磁體性能的影響，得到的輸出轉(zhuǎn)矩與實(shí)測(cè)值誤差更小；但仿真中并沒(méi)有考慮漏磁及多場(chǎng)耦合等因素對(duì)永磁調(diào)速器性能的影響，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)仍存在一定誤差。

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