永磁調速器渦流及溫度場的耦合分析與計算

赫勝男

摘要：本文針對永磁調速器發熱的復雜性以及永磁體高溫易退磁的特點，建立了500kW永磁調速器穩態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，給出了求解域內的基本假設及相應的邊界條件。運用ANSYS Workbench對永磁調速器銅盤、鋼盤及永磁體進行了三維溫度場仿真分析，確定溫度分布，可為永磁調速器的冷卻結構設計以及更大容量永磁調速器溫度場的準確計算提供理論依據。

[關鍵詞]永磁調速器溫度場損耗三維有限元法電磁場

本文以一臺500kW永磁調速器為例，建立永磁調速器的電磁場與溫度場耦合求解的三維數學模型和物理模型。結合工程實際確定了基本假設和邊界條件，采用有限元法確定銅盤、永磁體溫度分布規律，確定了永磁調速器的最高溫升區域。

1解析模型

1.1電磁場的數學模型

其中：β為材料的磁阻率;n為T2和T3的法線方向;μo為空氣的磁導率;

1.2溫度場的數學模型

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，分別是換熱系數和換熱面溫度。

2磁場有限元模型

永磁調速器為單組盤式結構，永磁材料選用釹鐵硼永磁體，銅盤選用黃銅H62規格，永磁體磁極數為28個，銅盤內半徑210mm，外半徑390mm，厚度6mm;鋁盤內半徑45mm，外半徑342mm，厚度32mm;氣隙寬度3mm。

3永磁調速器溫度場有限元模型

永磁調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果

首先計算永磁調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，導入ANSYS Workbench瞬態熱分析模塊，導入載荷等步驟可計算永磁調速器的溫度場。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，在設置銅盤的對流系數和輻射散熱系數，設置起始時間步為0.0ls，最大時間步為0.1s，結束時間為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，永磁調速器銅盤各個部位溫度相差不大，由于永磁調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生退磁現象。

圖2為銅盤從內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分析了永磁調速器各部分的溫度分布，結果顯示最高溫度出現在銅盤上，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生退磁現象。

參考文獻

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