永磁磁力耦合器優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真分析

1.前  言

隨著永磁調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，永磁磁力耦合器在現(xiàn)代工業(yè)中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。通過(guò)永磁磁力耦合器連接的系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，主動(dòng)轉(zhuǎn)子和從動(dòng)轉(zhuǎn)子之間無(wú)直接的機(jī)械連接，實(shí)現(xiàn)了抗緩沖、隔離震動(dòng)的優(yōu)良效果，并且避免了驅(qū)動(dòng)軸和負(fù)載軸無(wú)法精確對(duì)中時(shí)，對(duì)系統(tǒng)造成的損害。

基于線性層理論提出了一種線性層模型，該模型將永磁磁力耦合器銅盤(pán)和永磁體盤(pán)之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)等效為相對(duì)的線性平移運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而對(duì)永磁磁力耦合器的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。用基于分離變量法的一種解析計(jì)算程序?qū)⑷S問(wèn)題轉(zhuǎn)化為兩維，進(jìn)而對(duì)永磁磁力耦合器的特性進(jìn)行了分析。利用等效電流模型對(duì)永磁磁力耦合器的氣隙磁場(chǎng)建立解析模型，分析了氣隙磁場(chǎng)的三維空間分布。

以上方法計(jì)算復(fù)雜，并且計(jì)算精度不高。有限元法作為目前應(yīng)用最廣泛、適應(yīng)性最強(qiáng)的數(shù)值計(jì)算方法，在瞬態(tài)渦流場(chǎng)、非線性渦流場(chǎng)以及非線性瞬態(tài)渦流場(chǎng)的計(jì)算中得到了廣泛應(yīng)用。Ansoft Maxwell是享譽(yù)世界的商用低頻電磁場(chǎng)有限元軟件，在工程電磁領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。為了確保分析計(jì)算的快速性和準(zhǔn)確性，Ansoft軟件基于Maxwell微分方程，采用了有限元離散形式，進(jìn)而把工程電磁場(chǎng)計(jì)算轉(zhuǎn)化為龐大的矩陣求解。本文采用Ansoft工程電磁場(chǎng)有限元分析軟件分別建立不同類型的三維瞬態(tài)磁場(chǎng)的有限元模型，模擬實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)模型進(jìn)行仿真分析。最后利用試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)永磁磁力耦合器樣機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，實(shí)測(cè)值和有限元仿真值基本一致，說(shuō)明仿真方法正確。

2.有限元分析和樣機(jī)試驗(yàn)

永磁磁力耦合器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其為左右對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，主要由銅盤(pán)，永磁體，固定永磁體的永磁體盤(pán)，固定銅盤(pán)的端蓋等部件構(gòu)成。其中兩個(gè)銅盤(pán)通過(guò)固定螺栓與鋼性材質(zhì)的左右端蓋固定在一起，并與電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸連接在一起構(gòu)成永磁磁力耦合器的主動(dòng)轉(zhuǎn)子（銅轉(zhuǎn)子）。嵌有N、S極交替排列永磁體的永磁體盤(pán)與負(fù)載軸相連接，構(gòu)成永磁磁力耦合器的從動(dòng)轉(zhuǎn)子（永磁轉(zhuǎn)子）。主動(dòng)轉(zhuǎn)子與從動(dòng)轉(zhuǎn)子之間無(wú)機(jī)械連接，存在一定距離的氣隙。

永磁磁力耦合器是利用主動(dòng)轉(zhuǎn)子與從動(dòng)轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)差實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。由于主動(dòng)轉(zhuǎn)子與從動(dòng)轉(zhuǎn)子之間存在轉(zhuǎn)差，主動(dòng)轉(zhuǎn)予上的銅盤(pán)與從動(dòng)轉(zhuǎn)子上的永磁體存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，銅盤(pán)切割磁感線，在銅盤(pán)表面產(chǎn)生渦流。由磁力場(chǎng)同性相斥，異性相吸性質(zhì)可知，渦流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)和永磁體磁場(chǎng)之間存在吸引力和排斥力，相鄰感應(yīng)磁場(chǎng)對(duì)永磁體的作用力在轉(zhuǎn)方向上是疊加的，兩個(gè)力在切向方向上合力拖動(dòng)從動(dòng)轉(zhuǎn)子跟隨主動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。正是通銅盤(pán)和永磁體盤(pán)之間的這種耦合作用實(shí)現(xiàn)了能量的傳遞。

圖1 永磁磁力耦合器機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 有限元分析

參考現(xiàn)有永磁磁力耦合器主要型號(hào)對(duì)其各部件尺寸進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)一臺(tái)額定功率45KW，額定輸出轉(zhuǎn)速1475 rpm，的永磁磁力耦合器樣機(jī)，如圖2(a)所示。永磁體盤(pán)外徑為370mm，內(nèi)徑為90mm;端蓋外徑為430mm，內(nèi)徑為150mm;銅盤(pán)外徑為370mm，內(nèi)徑為170mm;矩形永磁體長(zhǎng)寬高為76mm×38mm×32mm。根據(jù)上述分析以及樣機(jī)尺寸，在有限元分析軟件Ansoft Maxwell中建立樣機(jī)仿真模型如圖2(b)所示，詳細(xì)仿真模型如圖2(c)和圖2(d)所示。仿真模型的設(shè)計(jì)和材料參數(shù)如表1所示。在氣隙為3mm時(shí)，選擇銅盤(pán)和端蓋設(shè)定渦流效應(yīng)，設(shè)置運(yùn)動(dòng)選項(xiàng)，對(duì)仿真物體進(jìn)行網(wǎng)格劃分和求解設(shè)定，模擬實(shí)際運(yùn)行情況，進(jìn)行仿真分析仿真完成后在Maxwell軟件中查看求解結(jié)果，永磁磁力耦合器銅盤(pán)處運(yùn)行前后的磁密分布如圖3、4所示。由圖3可以看出，銅盤(pán)上磁密大小呈環(huán)狀分布，形狀與永磁體橫截面形狀近似一致，數(shù)量和永磁體數(shù)量相同，中心最大磁密均在0.93T左右，由內(nèi)而外磁密B逐漸減小。由圖4可以看出運(yùn)行后磁密相比運(yùn)行前有輕微減小，可以推知在氣隙處感應(yīng)渦流產(chǎn)生磁場(chǎng)對(duì)原永磁體磁場(chǎng)有削弱作用。

圖2 永磁磁力耦合器的樣機(jī)和有限元模型

表1 永磁磁力耦合器仿真模型設(shè)計(jì)和材料參數(shù)

圖3 靜態(tài)時(shí)磁密分布云圖

圖4  轉(zhuǎn)差為50rpm時(shí)銅盤(pán)處磁密分布云圖

設(shè)定轉(zhuǎn)差為50rpm，對(duì)永磁磁力耦合器進(jìn)行仿真分析。銅盤(pán)處渦電流密度分布如圖5所示，可以看出系統(tǒng)運(yùn)行后，由于銅盤(pán)和永磁體盤(pán)之間存在滑差，銅盤(pán)切割磁感線，因此在銅盤(pán)中產(chǎn)生極大的渦電流。銅盤(pán)處渦電流密度矢量分布如圖6所示。由圖可以看出，銅盤(pán)上形成了與永磁體一一對(duì)應(yīng)的10個(gè)大小一致的環(huán)狀渦流區(qū)域，且相鄰渦流區(qū)域的流動(dòng)方向相反，渦流值在各自中心點(diǎn)處最大，由內(nèi)而外逐漸減小，此時(shí)渦電流密度最大可達(dá)2.3x107A/m^2。每個(gè)渦流環(huán)均穩(wěn)定在相鄰兩個(gè)永磁體的中間位置。

圖5 銅盤(pán)處渦電流密度分布圖

圖6 銅盤(pán)處渦流密度矢量分布圖

對(duì)永磁體盤(pán)附加轉(zhuǎn)矩參數(shù)求解，可得仿真后轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線，如圖7所示。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)差穩(wěn)定后，總傳遞轉(zhuǎn)矩值為337N?M。

圖7 輸出轉(zhuǎn)矩曲線

通過(guò)改變仿真模型中各部件尺寸，分析不同轉(zhuǎn)差、不同氣隙距離、不同銅盤(pán)厚度以及不同永磁體厚度對(duì)永磁磁力耦合器傳遞轉(zhuǎn)矩的影響。由圖8可以看到傳遞轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)差的增大先增加后減小，在180r/min時(shí)到達(dá)最大。這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)差的增加，渦流所產(chǎn)生的軸向斥力逐漸增大，并在轉(zhuǎn)差為180r/min時(shí)等于永磁體產(chǎn)生的軸向吸力，此時(shí)帶載能力最大，當(dāng)轉(zhuǎn)差大于1 80r/min時(shí)軸向力體現(xiàn)為軸向斥力。

圖8 不同轉(zhuǎn)差下的輸出轉(zhuǎn)矩曲線

由圖9可以看到傳遞轉(zhuǎn)矩隨氣隙增大而不斷減小，這是因?yàn)殡S著氣隙的增大，漏磁逐漸增加，在銅盤(pán)中形成的渦電流密度減小，渦流損耗功率減小，傳遞轉(zhuǎn)矩減小。如圖10所示，可見(jiàn)隨著銅盤(pán)厚度的增加，銅盤(pán)內(nèi)的磁通增加，渦流隨之增加，故輸出轉(zhuǎn)矩也隨之增大。但當(dāng)銅盤(pán)增加到一定厚度，銅盤(pán)內(nèi)渦流會(huì)趨于飽和，輸出轉(zhuǎn)矩逐漸減小。

圖9 不同氣隙下的輸出轉(zhuǎn)矩曲線

圖10 不同銅盤(pán)厚度下的輸出轉(zhuǎn)矩曲線

如圖11所示，可見(jiàn)隨著永磁體厚度增加，磁動(dòng)勢(shì)增大，磁路中磁通隨之增大，故輸出轉(zhuǎn)矩也隨之增大。但是永磁體厚度增大到一定程度，其增加的磁動(dòng)勢(shì)，被漏磁和增加的磁阻所消耗，輸出轉(zhuǎn)矩隨之趨于平穩(wěn)。

圖11 不同永磁體厚度下的輸出轉(zhuǎn)矩曲線

2.2 樣機(jī)試驗(yàn)

針對(duì)永磁磁力耦合器的試驗(yàn)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)永磁磁力耦合器樣機(jī)特性進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。試驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)兩臺(tái)變頻器分別控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)，工作在轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩模式。驅(qū)動(dòng)電機(jī)在轉(zhuǎn)速模式下通過(guò)永磁磁力耦合器拖動(dòng)負(fù)載電機(jī)，負(fù)載電機(jī)工作在轉(zhuǎn)矩模式下不斷加載以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同負(fù)載下運(yùn)行工況的測(cè)試。電機(jī)額定功率45KW，額定轉(zhuǎn)速1475rpm，額定輸出轉(zhuǎn)矩300N?M。試驗(yàn)平臺(tái)如圖12所示。

圖12 試驗(yàn)平臺(tái)

利用試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)永磁磁力耦合器進(jìn)行特性試驗(yàn)。將銅盤(pán)和永磁體盤(pán)之間氣隙距離依次調(diào)節(jié)為3mm，5mm，7mm，9mm，llmm，然后在設(shè)定驅(qū)動(dòng)電機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速1475rpm，接著對(duì)負(fù)載電機(jī)側(cè)逐漸加載，依次記錄轉(zhuǎn)差為0-45rpm步長(zhǎng)5rpm時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩值，并將記錄下的轉(zhuǎn)矩值和有限元仿真值相對(duì)比，如圖13、14所示?？梢钥吹?，隨著轉(zhuǎn)差的增加，輸出轉(zhuǎn)矩至逐漸增大，隨著氣隙的增加，輸出轉(zhuǎn)矩逐漸減小，這與前面分析的相一致。對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，雖然兩者之間存在一定誤差，但是最大誤差在15%以內(nèi)，這說(shuō)明試驗(yàn)方法是準(zhǔn)確的，證明了仿真方法的有效性。

圖13 不同轉(zhuǎn)差下的輸出轉(zhuǎn)矩曲線

圖14 不同氣隙下的輸出轉(zhuǎn)矩曲線

3.結(jié)  論

本文對(duì)永磁磁力耦合器進(jìn)行了三維瞬態(tài)場(chǎng)有限元分析，在有限元軟件Ansoft Maxwell中建立工程應(yīng)用中常見(jiàn)的永磁磁力耦合器模型，仿真得到了永磁磁力耦合器在氣隙間距5mm，轉(zhuǎn)差50r/min時(shí)的磁密分布和銅盤(pán)渦流密度分布。通過(guò)對(duì)以上仿真結(jié)果的研究，進(jìn)一步了解了永磁磁力耦合器的工作原理。仿真分析了磁力耦合器各部件尺寸對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響，重點(diǎn)仿真分析轉(zhuǎn)差、氣隙距離、銅盤(pán)厚度和永磁體厚度對(duì)傳遞轉(zhuǎn)矩的影響?？偨Y(jié)出，隨著轉(zhuǎn)差的逐漸增加，渦流損耗也隨之逐漸加大，但是轉(zhuǎn)矩變化為先增大后減小，在180r/min時(shí)達(dá)到峰值。輸出轉(zhuǎn)矩隨氣隙距離的增加而不斷減小，最佳氣隙調(diào)節(jié)距離為2-6mm。隨著銅盤(pán)厚度的增加，輸出轉(zhuǎn)矩先增大后減小，最佳銅盤(pán)厚度取值范圍為6-l0mm。輸出轉(zhuǎn)矩隨永磁體厚度的增加，逐漸增大，在30mm以后增勢(shì)趨緩，永磁體厚度一般在20-30mm之間取值。以上這些設(shè)計(jì)取值，為磁力耦合器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力參考。