基于Ansoft的永磁調速器仿真研究

劉 偉 佟 強 鄭永利 婁 永

(1.東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.北京工業大學機械工程與應用電子技術學院，北京 100022；3.大慶油田有限責任公司井下作業分公司，黑龍江 大慶 163112)

永磁調速器是在永磁磁力耦合器的基礎上發展而來的，作為一種新興節能調速裝置，在國外已被成功應用于工業和軍事領域，但在我國僅在冶金、石化及電力等行業得到應用。近年來，國內外研究人員對永磁調速器的研究從未停止，Lequesne B等提出一種永磁調速器力矩-滑差的近似計算方法[1]；Canova A和Vusini B利用分離變量法來計算永磁調速器的輸出轉矩[2]；Razavi H K和Lamperth M U對永磁調速器的電磁場進行了二維有限元計算[3]；王旭等對永磁調速器進行了渦流場分析與性能計算[4]，結果表明通過有限元分析得到的輸出轉矩與實測值較為接近，更具有參考價值，但由于計算時忽略了溫度場、漏磁和多場耦合效應的影響，計算結果與實際數據仍存在一定的誤差。

在對圓盤式永磁調速器進行相關理論研究后，筆者提出了一種改進的有限元計算轉矩方法。分析溫度對永磁體性能參數的影響，得到既定條件下氣隙與永磁體溫度的關系曲線，將此條件導入Ansoft軟件進行仿真計算，最終得到優化的輸出轉矩。

1 機械結構與工作原理①

永磁調速器主要由3部分構成(圖1)：與電機軸連接的主動轉子、與負載軸連接的從動轉子和電氣執行器(包括自動控制與手動控制兩種)。主動轉子由銅盤和銅盤背鐵兩部分組成，固定在電機軸上；從動轉子由鋁盤、鋼盤和釹鐵硼永磁體3部分構成，浮動安裝在負載軸上。設備啟動前，通過電氣執行器將主、從轉子的氣隙拉大到一定程度；電機空載啟動后會帶動主動轉子啟動，此時由于氣隙距離較大，從動轉子靜止；通過電氣執行器減小主、從轉子的氣隙，使得永磁體盤跟隨銅盤轉動，最終帶動負載軸一同轉動?？刂破?即氣隙調節裝置)安裝在負載軸上，通過帶動內筒使從動轉子在轉動的同時水平移動，從而改變氣隙的大小，控制輸出轉速。這種機械結構的設計突破了傳統的接觸傳動技術，提出了一種全新的非接觸式傳動技術，能有效降低機械振動和電機啟動電流，延長設備的使用壽命[5,6]。

圖1 永磁調速器的機械結構示意圖

永磁調速器工作時，導體盤與電動機連接，永磁體盤與負載連接。當電動機帶動導體盤旋轉時，導體盤與永磁體盤之間產生相對運動(即滑差)，導體盤通過滑差切割氣隙中的磁力線形成電渦流，使其在磁場中受到洛倫茲力的作用。根據牛頓作用力與反作用力的關系，大小相等、方向相反的力會作用在磁體盤上，使得永磁體盤按照一定的速度跟隨導體盤旋轉。主、從動盤運動的實質是阻礙導體盤與永磁體盤之間的相對運動，一旦沒有相對運動，就不會形成電渦流，導體盤也不會受到洛倫茲力，永磁體盤便不會旋轉。

2 三維建模與有限元仿真

根據所分析問題的特點，對永磁調速器三維有限元模型做出如下假設：忽略機械結構端部漏磁；忽略溫度對永磁體和導體盤性能的影響；認為銅盤幾何形狀在常速運動下保持不變。

2.1 三維瞬態場的計算原理

Maxwell方程組是電磁場分析的理論基礎。根據以上假設，對于瞬態磁場，Maxwell方程組可簡化為[7]：

(1)

式中B——磁通密度，T；

E——電場強度，V/m；

H——磁場強度，A/m；

J——傳導電流密度，A/m2；

t——時間，s。

在式(1)的基礎上，可以構造出兩個恒等式：

(2)

式中σ——電導率。

求解三維瞬態磁場時，其棱邊上的矢量位自由度采用一階元計算，節點上的標題位自由度采用二階元計算。

在三維瞬態磁場中處理永磁調速器銅盤旋轉的過程中，需要引入對位移的離散計算，其離散公式為：

(3)

式中x——銅盤位移量。

2.2 建模與網格劃分

根據以上假設，利用AutoCAD軟件對永磁調速器進行三維建模，然后將其導入Ansoft進行三維瞬態磁場仿真。永磁調速器的三維模型如圖2所示，三維瞬態場網格劃分如圖3所示。

圖2 永磁調速器的三維模型

圖3 永磁調速器三維瞬態場網格劃分

2.3 有限元分析

2.3.1靜態分析

永磁調速器靜止時，銅盤處于靜止狀態，不會切割磁力線產生感應磁場，此時該裝置的磁路中只存在永磁場，沒有力矩的產生與傳遞；由于銅是較好的隔磁材料，銅盤的背鐵與永磁體之間沒有作用力[8]。

永磁調速器具有對稱結構，鋼盤內部有8塊永磁體沿圓周方向依次內嵌排列，相鄰永磁體的充磁方向相反，所以磁通密度徑向對稱分布，且呈正弦規律變化[9](圖4)，磁通密度的向量圖如圖5所示。

圖4 磁通密度分布云圖

圖5 磁通密度向量圖

2.3.2瞬態分析

永磁調速器的基本參數保持不變，在轉速為300r/min、氣隙值Hqx分別為2、3、4、5mm、步長1.0mm的條件下對瞬態磁場進行仿真，仿真結果如圖6所示，可以看出：氣隙越小，輸出轉矩越大。

圖6 氣隙-輸出轉矩曲線

3 永磁體溫度性能的分析

永磁體的熱穩定性是指環境溫度改變所引起的永磁體磁性參數變化的程度，又稱溫度穩定性。大多數永磁材料的剩余磁感應強度隨溫度可逆變化的情況可以用溫度系數αBr來表示，其單位為1/K[10]，其計算式為：

(4)

式中B0、B1、B0′——在溫度分別為T0、T1、(20±2)℃時測得的剩余磁感應強度。

同樣，還常用αHci表示永磁材料的內稟矯頑力隨溫度可逆變化的程度，其單位為1/K，計算式為：

(5)

式中Hci′、Hci——在溫度分別為T0、T1時測得的內稟矯頑力。

隨著溫度的升高，永磁材料的磁性將逐漸降低。對永磁調速器的永磁體性能進行分析計算后得到剩余磁感應強度和內稟矯頑力分別隨溫度變化的曲線如圖7、8所示。

圖7 剩余磁感應強度隨溫度變化的曲線

圖8 內稟矯頑力隨溫度變化的曲線

考慮永磁體性能參數受溫度影響，經仿真計算，氣隙與永磁體溫度的關系曲線如圖9所示，結果表明：氣隙越小，產生的電渦流越大，永磁體溫度越高。

圖9 氣隙與永磁體溫度的關系曲線

4 實驗測試

基于以上仿真數據構建小功率圓盤式永磁調速器的樣機實驗平臺，該實驗平臺包括變頻器、交流電動機、扭矩/轉速儀、永磁調整器、直流電動機和直流調速器。其中，變頻器調節交流電動機的轉速；交流電動機是驅動銅盤旋轉的原動機；直流電動機和直流調速器是模擬負載；扭矩/轉速儀用于測量永磁調速器的輸出轉矩。建立基于永磁調速器的控制系統，通過控制器給定氣隙數值。

建立與永磁調速器實際大小一致的模型并進行瞬態仿真，由于改進后的有限元分析考慮了溫度對永磁體性能的影響，其數據與實測數據更為接近(圖10)。

圖10 數據對比

5 結束語

對永磁調速器進行三維建模，利用Ansoft軟件對該裝置進行靜態和瞬態磁場仿真。分析并計算永磁體的剩余磁感應強度和內稟矯頑力隨溫度變化的曲線，得到既定條件下氣隙-永磁體溫度曲線。由此提出一種改進的有限元分析算法，該算法考慮了溫度對永磁體性能的影響，得到的輸出轉矩與實測值誤差更?。坏抡嬷胁]有考慮漏磁及多場耦合等因素對永磁調速器性能的影響，其計算結果與實際數據仍存在一定誤差。

[1] Lequesne B，Liu B Y,Nehl T W.Eddy Current Machines with Permanent Magnets and Solid Rotors[J].IEEE Transactions on Industry Applicatons，1997，33(5)：1289～1294.

[2] Canova A，Vusini B.Design of Axial Eddy Current Couplers[J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2003，39(3)：725～733.

[3] Razavi H K，Lamperth M U.Eddy Current Coupling with Slotted Conductor Disk[J].IEEE Transactions on Magnetics，2006，42(3)：405～410.

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[5] 張莉，殷國富，陳倫軍，等.電磁齒輪傳動系統的優化設計與動態仿真[J].組合機床與自動化加工技術，2007，(10)：38～40，43.

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