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        軸向永磁調(diào)速器溫度場(chǎng)仿真分析

        2018-08-14 07:42:02何文博關(guān)煥新
        東北電力技術(shù) 2018年6期
        關(guān)鍵詞:銅盤(pán)調(diào)速器永磁體

        何文博,關(guān)煥新

        (沈陽(yáng)工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110136)

        在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中,通常使用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力的輸入元件來(lái)拖動(dòng)負(fù)載。在傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中,電動(dòng)機(jī)與負(fù)載之間通常設(shè)置聯(lián)軸器,所以聯(lián)軸器的性能以及效率高低決定了整個(gè)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的效率。過(guò)去,聯(lián)軸器使用硬機(jī)械連接方式,硬機(jī)械連接方式采用的是接觸傳遞扭矩,傳動(dòng)不平穩(wěn),系統(tǒng)振動(dòng)以及噪聲較大,運(yùn)行維護(hù)成本較高,系統(tǒng)可靠性較差,這種連接方式已逐漸被淘汰。

        國(guó)內(nèi)主流的調(diào)速有液力耦合調(diào)速、變頻調(diào)速2種形式。近幾年,國(guó)內(nèi)對(duì)稀土永磁材料的研究逐漸增多,多種永磁設(shè)備不斷出現(xiàn),永磁調(diào)速器應(yīng)運(yùn)而生。永磁調(diào)速是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新的突破性調(diào)速技術(shù)[1],其具有傳動(dòng)效率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、環(huán)境要求低、安裝簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn),已被很多大型企業(yè)作為節(jié)能改造的手段,具有很好的市場(chǎng)前景。永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)

        永磁調(diào)速器在運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)差功率損耗大部分以熱量形式散失,導(dǎo)致其各部件溫度升高。而永磁材料在高溫下會(huì)發(fā)生不可逆的退磁現(xiàn)象[2],這對(duì)永磁調(diào)速器的可靠性、壽命以及性能造成不良影響,因此分析計(jì)算永磁調(diào)速器的溫度場(chǎng)對(duì)整機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有重要意義。

        本文利用Ansoft 3D仿真軟件,通過(guò)有限元方法,對(duì)軸向永磁調(diào)速器進(jìn)行模型仿真。其中,模型參數(shù)結(jié)合參數(shù)范圍選取公式以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研(基于丹東蒲石河抽水儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目)的情況選取,利用模型對(duì)永磁體及銅盤(pán)的軸向溫度分布情況進(jìn)行分析,利用仿真圖形推導(dǎo)轉(zhuǎn)矩與銅盤(pán)以及轉(zhuǎn)子厚度、溫度與銅盤(pán)及轉(zhuǎn)子厚度的關(guān)系,驗(yàn)證本次模型參數(shù)選取的正確性,對(duì)永磁體部分參數(shù)的選取提供參考。

        1 軸向有限元仿真模型建立

        1.1 仿真模型參數(shù)的確定

        參數(shù)值選取過(guò)大會(huì)造成材料的浪費(fèi),反之選取過(guò)小會(huì)使電動(dòng)機(jī)出力不足,無(wú)法滿足運(yùn)行需求。因此合理的選取范圍是模型參數(shù)選取的前提。參數(shù)選取一般遵循如下方法。

        a. 銅轉(zhuǎn)子

        銅轉(zhuǎn)子參數(shù)主要包括轉(zhuǎn)子直徑、轉(zhuǎn)子厚度、長(zhǎng)徑比,銅轉(zhuǎn)子的直徑選取可以參考如下公式:

        (1)

        式(1)可變化為

        (2)

        (3)

        b. 氣隙厚度

        氣隙厚度是影響永磁調(diào)速器性能的重要因素之一,氣隙厚度大,氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度小,傳動(dòng)能力不足;氣隙厚度小,氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度大,傳動(dòng)能力大[3]。因此,設(shè)計(jì)永磁調(diào)速器時(shí),氣隙盡量小,但氣隙厚度的大小受到加工水平及支撐系統(tǒng)的剛度等影響,所以一般選2 mm以上。

        c. 永磁轉(zhuǎn)子

        永磁體材料根據(jù)運(yùn)行要求以及實(shí)際環(huán)境選擇,永磁體極數(shù)增多,磁場(chǎng)的變化頻率增大,輸出功率增大,但是極數(shù)增至一定程度時(shí),永磁體間產(chǎn)生的漏磁增大,輸出功率反而減小,所以極數(shù)應(yīng)該合理選擇[4]。永磁體尺寸主要有磁極厚度hm、極弧系數(shù)αi。其中永磁體的厚度是指永磁體磁化方向的尺寸,永磁體厚度大,能夠提供磁路的磁動(dòng)勢(shì)大,但過(guò)厚會(huì)使磁路磁阻和漏磁增大,轉(zhuǎn)矩增加有限;若厚度小,則永磁調(diào)速器的出力不足,一般?。?/p>

        (4)

        式中:hm為磁體厚度;Ks為外磁路飽和系數(shù);Kδ為氣隙修正系數(shù);hg為氣隙厚度;Hc為磁體矯頑力。結(jié)合式(1)、式(2)、式(3)以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況得到永磁體仿真模型參數(shù),見(jiàn)表1。

        表1 永磁體仿真模型參數(shù)

        1.2 軸向有限元仿真模型

        結(jié)合表1,利用Ansoft 3D仿真軟件作圖,如圖2所示。仿真環(huán)節(jié)設(shè)定region的尺寸間距為5 mm,band尺寸軸向間距為1 mm,徑向間距為5 mm,網(wǎng)格剖分設(shè)置為自定義,剖分永磁體剖分為10 mm,其余部件剖分為15 mm,仿真時(shí)間為1 s,步長(zhǎng)為500 μs,誤差為0.005,邊界條件為零矢量邊界條件。

        圖2 軸向永磁調(diào)速器有限元模型

        2 溫升計(jì)算結(jié)果分析

        有限元求解模型中,取15 ℃為初始溫度。

        軸向永磁體在額定負(fù)載下的溫度分布如圖3所示??梢郧逦乜闯龈邷貐^(qū)域位于永磁體靠近軸向銅盤(pán)的中心區(qū)域,這是由于永磁體上會(huì)產(chǎn)生永磁體渦流損耗并產(chǎn)生熱量。低溫區(qū)域主要位于與永磁轉(zhuǎn)子鋼盤(pán)相近的一側(cè),這是由于熱量能通過(guò)鋼盤(pán)迅速散發(fā)出去??梢钥闯?,溫度隨著軸向靠近鋼盤(pán)的方向遞減。

        圖3 軸向永磁體溫度分布圖

        由于參數(shù)量較多,為了簡(jiǎn)化分析,只選取厚度作為自變量,繪制溫度與厚度關(guān)系圖。又由于實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中,轉(zhuǎn)矩的大小也是影響永磁調(diào)速器的重要特性,所以利用轉(zhuǎn)矩圖與溫度圖結(jié)合分析。其他參數(shù)依然按照原始參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,利用Ansoft 3D仿真軟件參數(shù)化掃描功能得出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子厚度關(guān)系,如圖4所示。

        圖4 轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子厚度關(guān)系圖

        由圖4可以看出,一開(kāi)始隨著轉(zhuǎn)子厚度增大,轉(zhuǎn)矩會(huì)隨之增大,但是當(dāng)轉(zhuǎn)子厚度增大到一定程度時(shí),轉(zhuǎn)矩增加不明顯,因?yàn)橛来朋w厚度增大,磁路中的磁阻以及漏磁也會(huì)增大[5],扭矩增加趨于飽和,因此轉(zhuǎn)子厚度達(dá)到一定值后,厚度增加已經(jīng)意義不大。

        溫度與轉(zhuǎn)子厚度關(guān)系如圖5所示。從圖5可以看出溫度受轉(zhuǎn)子厚度變化影響不大,這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子厚度增大時(shí),磁阻增大,但是渦流主要集中在銅盤(pán)上,升高的大部分熱量也在銅盤(pán)上產(chǎn)生,所以轉(zhuǎn)子厚度對(duì)轉(zhuǎn)子本身的溫度影響并不大。結(jié)合圖4與圖5,轉(zhuǎn)子厚度取到一定值后,在滿足出力的情況下,再增大轉(zhuǎn)子厚度對(duì)優(yōu)化性能已經(jīng)沒(méi)有效果。

        圖5 溫度與轉(zhuǎn)子厚度關(guān)系圖

        軸向銅盤(pán)的溫度分布如圖6所示。最高溫升集中在內(nèi)圓環(huán)1/5~2/3處,最高溫度達(dá)到107 ℃,這個(gè)范圍內(nèi)的圓環(huán)區(qū)域是磁場(chǎng)交變的重點(diǎn)區(qū)域。從溫度分布中可以清晰看出,銅環(huán)外部比內(nèi)部溫度低36 ℃,這是由于外部銅環(huán)與轉(zhuǎn)子外殼距離較近,熱傳導(dǎo)系數(shù)和散熱系數(shù)較好。

        圖6 軸向銅盤(pán)溫度分布圖

        轉(zhuǎn)矩與銅盤(pán)厚度關(guān)系如圖7所示。圖7可以看出,當(dāng)銅盤(pán)厚度開(kāi)始增大時(shí),轉(zhuǎn)矩隨之明顯增大,并在6~7 mm處達(dá)到峰值;之后銅盤(pán)厚度繼續(xù)增大時(shí),渦流增加有限并趨近飽和,磁阻增大,損耗激增并轉(zhuǎn)化為熱量,因此轉(zhuǎn)矩反而降低。

        圖7 轉(zhuǎn)矩與銅盤(pán)厚度關(guān)系圖

        溫度與銅盤(pán)厚度關(guān)系如圖8所示。圖8可以看出,溫度隨銅盤(pán)厚度增大而升高,但是升高的幅度不明顯。銅盤(pán)厚度變大,磁阻變大,渦流損耗變大并轉(zhuǎn)化為熱量,因此銅盤(pán)溫度會(huì)隨之升高。結(jié)合圖7與圖8來(lái)看,銅盤(pán)厚度應(yīng)該依據(jù)實(shí)際要求來(lái)設(shè)計(jì),當(dāng)銅盤(pán)厚度達(dá)到一定值后,增加厚度只會(huì)增加材料成本并且會(huì)使轉(zhuǎn)矩變小。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        本文選取所需公式和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求對(duì)永磁調(diào)速器的參數(shù),利用Ansoft 3D仿真軟件對(duì)永磁調(diào)速器

        圖8 溫度與銅盤(pán)厚度關(guān)系圖

        的銅盤(pán)和轉(zhuǎn)子進(jìn)行了軸向溫度仿真[6],分別分析了永磁體銅盤(pán)和轉(zhuǎn)子的軸向溫度分布、厚度對(duì)轉(zhuǎn)矩與溫度的影響,為實(shí)際設(shè)計(jì)永磁體參數(shù)提供一定參考。

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