高效永磁調(diào)速器的損耗計算與分析

點擊量：1950   日期：2019-03-27

    摘要

    針對高效永磁調(diào)速器各部件的電磁損耗相關(guān)問題，以一臺1MW高效永磁調(diào)速器為例，基于對損耗的理論分析和渦流場理論，建立了運動渦流場的三維有限元分析模型．利用時步有限元法，對1MW高效永磁調(diào)速器的銅盤損耗、永磁體渦流損耗以及永磁體背襯鋼盤對轉(zhuǎn)矩的影響進行了詳細的分析與計算．通過對1MW高效永磁調(diào)速器的實驗分析和有限元仿真，驗證了分析與計算的正確性和規(guī)律的實用性．最后深入分析了分段永磁體對永磁體渦流損耗的影響，為永磁調(diào)速器的效率分析、散熱設(shè)計以及損耗優(yōu)化提供了理論依據(jù)．

    機械結(jié)構(gòu)與時步有限元模型

    本文以一臺1MW高效永磁調(diào)速器為損耗研究對象，高效盤式永磁調(diào)速器的機械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示．1MW高效永磁調(diào)速器樣機參數(shù)如表1所示．在ANSYS有限元軟件的電磁場模塊中，利用時步有限元法對1MW高效永磁調(diào)速器的損耗進行計算，按參數(shù)建立的1MW高效永磁調(diào)速器全域時步三維有限元模型示意圖如圖所示．為了得到更精確的結(jié)果，仿真中設(shè)有500個計算點．為保證計算精度，銅盤和永磁體進行手動剖分，并考慮集膚效應(yīng)．永磁調(diào)速器有限元模型共有剖分四面體202535個，其中永磁體分段四面體73582個，占總數(shù)的36.3%．

    銅盤渦流損耗分析
    銅盤的作用是傳導(dǎo)感應(yīng)的渦流，當永磁調(diào)速器高速運行時，渦流密度隨時間不斷變化，渦流的頻率同步變高，此時銅盤上渦流引起的集膚效應(yīng)不能忽略．在相對速度一定的情況下，整個銅盤的渦流總損耗在任意時刻都相同，因此暫態(tài)電流面密度也可以當作有效值來直接計算銅盤渦流值。對整個求解區(qū)域的外邊界施加狄利克萊邊界條件，可計算出銅盤上的平均渦流密度．由有限元計算可得出，銅盤上的渦流損耗為40kW．當轉(zhuǎn)差率為0.04時，可以求出輸出功率950kW，輸出轉(zhuǎn)矩為6500N?m，軸向力為－5500N．在基座上從右往左依次為交流電動機、永磁調(diào)速器、扭矩/轉(zhuǎn)速儀、交流電動機和直流電動機，設(shè)備相互之間通過彈性聯(lián)軸節(jié)進行連接．通過有限元分析軟件得到的數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)相比較，可以看出，仿真計算得到的數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)很接近，進而驗證了理論推導(dǎo)的正確性與有效性．

    鋼盤厚度對轉(zhuǎn)矩的影響及磁場分析

    由于永磁體背襯鋼盤的厚度對輸出轉(zhuǎn)矩有一定的影響，所以本文重點研究永磁體的背襯鋼盤對磁場的影響情況．對永磁調(diào)速器進行動態(tài)電磁仿真分析，磁力線從永磁體的N極發(fā)出，經(jīng)過氣隙、銅盤以及其后面的背襯鋼盤，到達相鄰永磁體的S極，最后通過永磁體的背襯鋼盤構(gòu)成閉合的主磁路。

    分段永磁體的渦流損耗分析

    永磁體分段是降低永磁體渦流損耗的一個有效的途徑，具有較高的研究價值．在1MW高效永磁調(diào)速器的永磁體盤上，相鄰永磁體之間存在些許的橫向漏磁，分段永磁體同樣可以解決漏磁通的問題．結(jié)合前面的理論研究，對分段處理永磁體如何能降低永磁體渦流損耗的原理進行分析．徑向永磁體分段可以有效降低永磁體內(nèi)的渦流損耗．當永磁體分段數(shù)大于兩段后，永磁體內(nèi)部渦流損耗減少量較為明顯;當多于一定段數(shù)以后，渦流損耗減少量越來越小，最終趨于穩(wěn)定．很顯然，這一變化規(guī)律是一致的．把1MW高效永磁調(diào)速器鋁盤上的每塊永磁體沿徑向平均分成幾小段時，實際上是增加了永磁體內(nèi)徑向路徑的電阻，有效減弱了永磁體內(nèi)產(chǎn)生的渦流面密度，全部永磁體的渦流損耗可以明顯減少，而且這并不會影響其輸出扭矩的大小。

    結(jié)語
    本文對1MW高效永磁調(diào)速器的損耗機理進行較為詳細的研究，使用三維電磁場對永磁調(diào)速器各部件損耗的分布進行了仿真分析．對銅盤渦流和永磁體渦流進行了損耗計算，對鋼盤厚度對轉(zhuǎn)矩和磁場的影響進行了分析，進一步分析了分段永磁體對永磁體渦流損耗的影響情況．永磁體沿徑向由一整塊分段成幾小塊時，可以顯著減少永磁體上的渦流密度，永磁體內(nèi)的渦流損耗也會降低．本文的研究內(nèi)容對永磁調(diào)速器的效率分析、散熱設(shè)計以及損耗優(yōu)化有很好的借鑒價值．