永磁調速器溫度場仿真分析

王延杰　周三平

【摘 要】永磁調速器在運行過程中，由于渦流損耗，導致其溫度升高，而永磁體在高溫下易退磁。本文采用計算流體力學方法，用ANSYS-Fluent軟件對永磁調速器的流場和溫度場進行數值仿真，在分析流場和溫度場分布規律的基礎上，對永磁調速器的結構進行了改進，在其導體轉子和永磁轉子兩側面均開端面窗口并添加葉片。結果表明，結構改進后，永磁調速器內流場流量增大，溫度降低，達到了永磁體要求的溫度范圍，為永磁調速器的通風冷卻結構設計提供了理論依據。

【關鍵詞】永磁調速器；通風散熱；溫度場；仿真分析

0 引言

永磁調速器是利用永磁磁力驅動技術通過調速結構來實現調速目的的調速傳動裝置[1]。與液力耦合器和變頻器相比具有結構簡單、無機械連接、高效驅動、高效節能、維護簡單、壽命長等特點，在發電、冶金、石化、采礦等行業廣泛應用。

永磁調速器在運行過程中，轉差功率損耗大部分以熱量形式散失，導致其各部件溫度升高，而永磁材料在高溫下會發生不可逆的退磁現象[2]，對其運行可靠性和壽命造成不良影響。為了使永磁調速器能夠在安全條件下運行，有必要分析各部分溫度分布，以便改進結構，強化傳熱，降低溫度。

1 永磁調速器的結構和工作原理

1.1 永磁調速器的結構

永磁調速器的結構如圖1所示，主要由導體轉子和永磁轉子組成，導體轉子與電機軸相連，永磁轉子與負載軸相連，兩者之間存在氣隙無直接機械連接[3]。

1.2 永磁調速器的工作原理

導體轉子與電機連接在一起，永磁轉子和負載連接在一起，當電機轉動時，帶動導體轉子轉動，導體轉子上的磁場就發生變化，在其表面形成渦流，渦流產生的感應磁場與永磁體產生的磁場相互作用，使永磁轉子也隨之轉動，進而實現轉矩的傳輸[4]。

2 永磁調速器流場和溫度場的仿真分析

2.1 模型的建立

用ANSYS Workbench中的Design Modeler模塊建立了永磁調速器的三維實體模型所示。為了避免邊界效應，將入口外延150mm，出口選為風罩出口處。

2.2 網格的劃分

內部結構劃分采用四面體網格，結構突變處采用網格細化的方法，以確保網格的連續性和劃分質量，便于準確處理邊界條件，提高計算精度，得到節點數為147020，單元數為87613。

2.3 邊界條件

根據永磁調速器的結構特點和求解區域，邊界條件設置如下：

（1）空氣流道的Inlet（入口）和Outlet（出口）分別設置為壓力入口和壓力出口，壓力為標準大氣壓，溫度設置為外延環境大氣溫度20℃；

（2）主動輪和從動輪流體壁面均設置為繞Z軸轉動的旋轉壁面，轉速分別為3000rpm和1500rpm，熱能項均設置為系統耦合；

（3）永磁體流體壁面同樣設置為繞Z軸轉動的旋轉壁面，轉速與從動輪流體壁面保持一致為1500rpm，熱源項根據實際工況中的效率損失等效計算設置其發熱率為4×105w/m3；

（4）風罩與外界的接觸流體壁面采用第三類邊界條件，周圍空氣介質溫度設置為20℃，邊界換熱系數α由經驗公式計算得到約為10w/（m2·k）。

2.4 仿真求解分析

永磁調速器的速度跡線如圖2所示，銅導體轉子和永磁轉子包圍的中心流體流速較小，大量空氣累積而不能流出，進出口總流量為0.57kg/s，只有少量空氣進出，無法與外界形成有效對流，導致永磁調速器永磁體溫度較高，達到120.2℃，超出永磁材料在能夠承受的溫度范圍。

3 永磁調速器的模型改進和分析

考慮到導體轉子和永磁轉子所包圍的中心區域流體只做低速轉動而不能流出，導致永磁調速器溫度場過高，在導體轉子和永磁轉子側面開窗口，以加大導體轉子和永磁轉子所包圍的中心區域流體與外界的對流，同時在兩側添加葉片，以加大流體導入和導出中心區域的動力，從而增加永磁調速器內空氣的流通量，加大熱量的對流。

對改進后的模型進行數值仿真，速度跡線和溫度場分布如圖3所示。結構改進后進出口總流量分別高達2.37kg/s，遠大于改進前的0.57kg/s。最高溫度由改進前的120.2℃降至74℃，可見永磁調速器結構的改進，降溫效果明顯。

4 結論

（1）導體轉子和永磁轉子包圍的中心區域流體只在該區域旋轉不能排出，進出口流量只有0.57kg/s；（2）永磁體溫度最高，達120.2℃；（3）結構改進后，進出口流速增大，流量增加，達到2.37kg/s，流體能有效進出，帶走更多熱量；（4）永磁體溫度降至74℃，降低了46.2℃，達到了降溫目的。

【參考文獻】

[1]牛曉博.基于ANSYS的永磁調速器磁場研究[D].西安：長安大學機械電子工程，2012：20-32.

[2]李偉力，陳婷婷，曲鳳波，等.高壓永磁同步電動機實心轉子三維溫度場分析[J].中國電機工程學報，2011，31（18）：55-60.

[3]路韜，莫云輝.一種無接觸的傳動和調速技術-永磁調速[J].機械制造，2012，580（50）：72-74.

[4]S J Salon， L Tukenmez-Ergence， and P F Wendling.3D Transient Magnetic Modeling of Braking Torque in a Rotating Conducing Disk[C]// IEEE Int. Electric Machine and Drives Conf.， Brasov， Romania， 2000.

[責任編輯：湯靜]