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        盤式永磁耦合器傳動機理有限元仿真研究

        2019-12-24 02:41:42南江萍張培培
        微電機 2019年11期
        關(guān)鍵詞:銅盤磁極氣隙

        王 昭,南江萍,張培培,王 菲

        (西安交通工程學院 中興通信學院,西安 710300)

        0 引 言

        永磁耦合器是利用機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)可調(diào)傳動的重要代表,在眾多領(lǐng)域代替價格昂貴、空間占用大的變頻器。由于永磁耦合器的非接觸傳動具有震動小、無摩擦、偏心傳動、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點[1-2],而且具有對電機過載保護及軟啟動等功能特點,極大程度降低因軸承的損耗導致工業(yè)過程中長時間停機或重啟等風險[3-4],因此在風電、水泵、鼓風、艦船渦輪、采礦、石油等眾多需要變頻調(diào)速的領(lǐng)域得到廣泛應用[5-6]。因永磁耦合器的良好特性和廣泛應用,越來越多的學者對其進行理論研究[7-10],以實現(xiàn)更佳的傳輸效能和精確設(shè)計。尤其是永磁耦合器的電磁結(jié)構(gòu)相對復雜,傳統(tǒng)解析方法很難達到精細求解,因此有限元建模仿真成為重要的研究手段,相關(guān)仿真建模已經(jīng)了有一定的研究[11-15]。本文依據(jù)電磁傳動理論應用COMSOL軟件對盤式永磁耦合器進行有限元三維瞬態(tài)建模,分析其渦流特性和電磁傳動特性,并且分析幾種主要參數(shù)對傳動特性的影響,得出相關(guān)的規(guī)律特性。同時給出了標準的有限元建模方法,對盤式永磁耦合器的數(shù)值建模和準確設(shè)計都可以提供重要的參考。

        1 有限元模型

        1.1 永磁耦合器仿真模型

        圖1為盤式永磁耦合器的結(jié)構(gòu),由主動轉(zhuǎn)子和從動轉(zhuǎn)子組成,主動轉(zhuǎn)子連接在電機上,從動轉(zhuǎn)子連接在負載上,主動轉(zhuǎn)子和從動轉(zhuǎn)子無結(jié)構(gòu)連接,并且之間有一定的氣隙。主動轉(zhuǎn)子主要由永磁鐵和永磁鐵托盤組成,從動轉(zhuǎn)子為金屬盤。相鄰兩個永磁鐵磁極相反。

        圖2為盤式永磁耦合器的有限元仿真模型,仿真模型包含永磁耦合器和空間求解域,空間求解域被氣隙間的旋轉(zhuǎn)面分為兩部分,左邊為銅盤求解域,右邊為磁鐵求解域。

        圖1 盤式永磁耦合器結(jié)構(gòu)

        圖2 盤式永磁耦合器有限元仿真模型

        建模的相關(guān)計算參數(shù)如表1所示。

        表1 仿真模型相關(guān)參數(shù)

        圖3為盤式永磁耦合器有限元模型的網(wǎng)格設(shè)計,圖3(a)為耦合器結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格設(shè)計,圖3(b)為空間求解域的網(wǎng)格設(shè)計。整個模型采用的基本網(wǎng)格單元為自由四面體,金屬銅盤的網(wǎng)格在厚度方向共有4層,永磁鐵和托盤在厚度方向共有8層網(wǎng)格,永磁耦合器設(shè)計的最大網(wǎng)格尺寸為0.25mm,求解域的最大網(wǎng)格尺寸為3mm。

        圖3 有限元模型網(wǎng)格設(shè)計

        1.2 瞬態(tài)電磁計算方程

        永磁耦合器的電磁場數(shù)學模型,根據(jù)電磁學基本理論(對于低頻瞬態(tài)磁場,忽略位移電流效應),永磁渦流耦合器電磁場控制方程需要應用到安培定律、磁通量守恒定律以及相應的本構(gòu)關(guān)系。相關(guān)公式如下:

        安培定律:

        (1)

        (2)

        (3)

        (4)

        磁通量守恒:

        (5)

        本構(gòu)關(guān)系:

        (6)

        (7)

        2 渦流和電磁傳動特性

        永磁耦合器的永磁鐵提供穩(wěn)定的靜態(tài)磁場,當定子和轉(zhuǎn)子保持相對靜止時,永磁鐵產(chǎn)生的靜態(tài)磁場不會被銅盤切割,進而也不會在銅盤上產(chǎn)生感應,因此不會產(chǎn)生扭矩和軸方向的電磁力。當電機帶動轉(zhuǎn)子開始運動時,轉(zhuǎn)子端永磁鐵產(chǎn)生的靜態(tài)磁場被銅盤切割,切割磁場會在垂直磁場的銅盤內(nèi)產(chǎn)生環(huán)向渦流,如圖4(a)所示。由于相鄰永磁鐵的磁極方向是相反的,因此在銅盤上產(chǎn)生的相鄰渦流的旋轉(zhuǎn)方向也是相反的,如圖4(b)所示。

        圖4 渦流

        永磁鐵的剩余磁通(如圖5(a)所示)在轉(zhuǎn)子運動時使銅盤產(chǎn)生渦流,銅盤內(nèi)形成的渦流又會產(chǎn)生新的磁場,其方向基本垂直于銅盤,相鄰渦流產(chǎn)生磁場的方向也是相反的(相鄰兩個渦流的方向相反)。銅盤上感應產(chǎn)生的磁場分布與永磁鐵形成的磁場分布類似,如圖5(b)所示。

        圖5 磁通

        以上分析可知在永磁耦合器工作時,銅盤上形成與永磁鐵類似的等效磁鐵,永磁鐵和等效磁鐵的磁極方向相反,兩者產(chǎn)生的磁場相對,產(chǎn)生一定的斥力,如圖6(a)所示。當轉(zhuǎn)子和定子有一定的相對運動時,永磁鐵和等效磁鐵相互錯位,產(chǎn)生斜向電磁力,如圖6(b)所示。斜向電磁力可以分解為沿銅盤切線方向和軸向方向的分力,切向受力形成扭矩,當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,扭矩帶動定子旋轉(zhuǎn),同時在軸方向產(chǎn)生一定的排斥力。

        圖6 電磁場特性

        圖7(a)為銅盤1/4空間內(nèi)4個切向力監(jiān)測點標記圖,圖7(b)為4個監(jiān)測點的切向受力,圖7(c)和圖7(d)為軸向力和扭矩。可以看出切向受力的包絡特性和扭矩曲線特性基本一致,那是因為永磁鐵的扭矩是由銅盤所有區(qū)域切向力積分所得。從圖7還可以看出無論是扭矩還是軸向力在轉(zhuǎn)子起動時,其電磁力都是在一定時間范圍內(nèi)產(chǎn)生正弦震蕩,最終趨于穩(wěn)定。因此永磁耦合器的起動是軟起動,較好的保護電機。

        圖7 永磁耦合器受力情況和扭矩曲線特性

        3 參數(shù)對傳動的影響

        從以上的渦流特性和電磁傳動特性可以看出,影響其電磁力的因素較多,在導體盤一定情況下,主要的影響因素有磁鐵的材質(zhì)、磁鐵的級數(shù)和氣隙大小。文中對著3種因素進行了詳細的分析。

        3.1 永磁鐵規(guī)格

        常用永磁鐵又叫釹鐵硼磁鐵,工藝、原料配比和磁化等因素導致其規(guī)格不同,不同規(guī)格尺寸的永磁鐵的剩余磁通有所不同。本文分析牌號為N38SH、N42SH、N45SH的3種永磁鐵,其磁鐵的剩余磁通強度分別為1.22T、1.25T、1.29T,其它參數(shù)不變?nèi)绫?所示。

        從圖8(a)可以看出剩余磁通強度的變化,并不影響扭矩的曲線特性,還是原有的正弦振蕩特性,周期不變,只是導致其幅值有所變化,永磁鐵的剩余磁通強度越大,其產(chǎn)生的扭矩越大。其平穩(wěn)扭矩和剩余磁通的關(guān)系繪制成曲線如圖8(b)所示,可以看出其扭矩與剩余磁通強度基本呈絕對線性關(guān)系,剩余磁通越大,平穩(wěn)扭矩越大。

        圖8 永磁鐵規(guī)格對受力的影響

        3.2 永磁鐵級數(shù)

        永磁耦合器相鄰兩個永磁鐵的磁極相反,因此永磁鐵的級數(shù)只能為偶數(shù),本文取永磁鐵的級數(shù)為12、14、16、18、20、22、24、26(26為此規(guī)模永磁耦合器最多可安裝的磁鐵數(shù)量)進行計算分析,其它參數(shù)不變?nèi)绫?所示。

        圖9為磁極數(shù)量對扭矩的影響,從圖9(a)和圖9(b)可以看出磁極數(shù)量在一定數(shù)量內(nèi)(N=12~24)的變化對耦合器產(chǎn)生扭矩在整體規(guī)律上變化不大,但是當磁極數(shù)量較多(N=26)導致相鄰磁極間距較小時,震蕩波形會產(chǎn)生異常,甚至扭矩出現(xiàn)負值。同時可以看出震蕩周期(N=12~24)與磁極的數(shù)量有關(guān)系,磁極數(shù)量越少需要平穩(wěn)的周期越長,也就是說磁極數(shù)量越多,永磁耦合器產(chǎn)生的扭矩越快穩(wěn)定。

        圖9(c)為平穩(wěn)扭矩和磁極數(shù)量的關(guān)系繪制成曲線,可以看出磁極數(shù)量少于24時,磁極數(shù)量越多,永磁耦合器產(chǎn)生的平穩(wěn)扭矩越大,當磁極數(shù)量大于24時永磁耦合器產(chǎn)生的平穩(wěn)扭矩基本不再變大。說明磁極數(shù)量過多導致在銅盤上產(chǎn)生的單元渦流相互影響,反而影響永磁耦合器的傳輸效率。

        圖9 磁極對受力的影響

        3.3 氣隙間距

        永磁耦合器通過氣隙的調(diào)整,對負載進行調(diào)速。本文取1mm、2mm、4mm、8mm和15mm的氣隙間距進行計算分析,其它參數(shù)不變?nèi)绫?所示。

        圖10為氣隙間距對扭矩的影響,從圖10(a)可以看出氣隙間距的變化對耦合器產(chǎn)生扭矩的震蕩周期不產(chǎn)生影響,只改變其整體幅值,其平穩(wěn)周期也與氣隙間距沒有關(guān)系。還可以看出氣隙間距越大,永磁耦合器產(chǎn)生的扭矩越小。其平穩(wěn)扭矩和氣隙間距的關(guān)系繪制成曲線,如圖10(b)所示,可以看出其扭矩與氣隙間距呈指數(shù)態(tài)遞減關(guān)系(對數(shù)上呈線性關(guān)系),氣隙間距越大,平穩(wěn)扭矩越小。

        圖10 氣隙間距對受力的影響

        4 結(jié) 論

        對盤式永磁耦合器進行標準有限元建模,分析其機理。永磁耦合器工作時,永磁鐵的剩余磁通通過空間耦合使銅盤上產(chǎn)生渦流(相鄰渦流方向相反),銅盤感應產(chǎn)生的磁場與永磁鐵形成的磁場方向相反,永磁鐵在相對偏移時使銅盤產(chǎn)生扭矩和軸向力。在銅盤不變的情況下,扭矩和軸向力與永磁鐵的規(guī)格、永磁鐵的級數(shù)和氣隙間距相關(guān)。永磁鐵的剩余磁通強度越大或磁極數(shù)量越多都會使其扭矩和軸向力線性增大;永磁鐵和銅盤之間的氣隙增大,會導致扭矩呈指數(shù)態(tài)遞減。

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