一種改進型軸向永磁調(diào)速器及其參數(shù)優(yōu)化方法的研究

邱力偉，關煥新，郭振亞，邵　偉，高慶忠

(1.沈陽工程學院，遼寧　沈陽　110136；2．國網(wǎng)錦州市太和區(qū)供電分公司，遼寧　錦州　121000)

永磁調(diào)速器的原理是通過永磁轉(zhuǎn)子的磁場與導體銅轉(zhuǎn)子上形成的渦流場之間的耦合效應傳遞轉(zhuǎn)矩[1],它能消除電機軸與負載軸之間的剛性聯(lián)接,是一種新型非接觸式的傳動和調(diào)速裝置。與傳統(tǒng)調(diào)速設備相比，其主要優(yōu)點是無諧波污染、轉(zhuǎn)矩傳遞效率高、有效減少振動以及軟啟動等，因此廣泛應用于電機調(diào)速節(jié)能、大型旋轉(zhuǎn)設備的轉(zhuǎn)速控制等領域，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1　軸向永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)

永磁調(diào)速器采用非接觸式傳動雖然能夠減緩振動，但是并不能消除振動，一旦形成共振將對設備造成不可逆的破壞；另一方面由于永磁調(diào)速器利用渦流效應工作,就不可避免造成渦流損耗進而產(chǎn)生熱量，致使永磁體高溫退磁[2]。因此，本文選擇振動抑制與減緩渦流損耗為優(yōu)化目標。通過優(yōu)化氣隙磁密波形能夠有效抑制永磁調(diào)速器的振動，減少氣隙磁密波形中諧波的占比就可以達到優(yōu)化磁密波形的目的，考慮到氣隙磁密諧波難以直接觀測并優(yōu)化，本文提出了氣隙磁密波形畸變率這一概念。首先利用ansoft有限元仿真軟件分別求取不同參數(shù)下的氣隙磁密波形，然后利用傅里葉分解分離基波與諧波，進而算出氣隙磁密波形畸變率kBδ，其計算公式如下：

(1)

不同優(yōu)化參數(shù)下的永磁調(diào)速器渦流損耗可以直接通過ansoft 3D有限元仿真軟件計算得出。本文擬定輸出轉(zhuǎn)矩最小值為80 N·m，渦流損失需控制在500 W以下。由于改進型永磁調(diào)速器減少了永磁體的體積，這可能造成輸出轉(zhuǎn)矩的降低，但是本文通過增加永磁體數(shù)量或者尺寸來彌補降低的轉(zhuǎn)矩，并且以實際運行要求的的最大輸出轉(zhuǎn)矩為限制條件進行優(yōu)化，因此不會對永磁調(diào)速器的正常運行造成影響。

1　改進型軸向永磁調(diào)速器及其優(yōu)化參數(shù)選擇

未進行改進的軸向永磁調(diào)速器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要構(gòu)成部分包括永磁轉(zhuǎn)子、導體轉(zhuǎn)子(銅轉(zhuǎn)子)以及調(diào)節(jié)機構(gòu)[1]。

圖2　改進型永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)

原始參數(shù)如表1所示。

表1　軸向永磁調(diào)速器原始參數(shù)　mm

1.1　永磁轉(zhuǎn)子的改進

改進前永磁轉(zhuǎn)子為瓦片型永磁轉(zhuǎn)子，雖然弧形面的永磁體采用正弦優(yōu)化原理有利于氣隙磁密波形的優(yōu)化[3]，但是，由于工藝復雜程度以及做工成本的限制本文采用梯形表面結(jié)構(gòu)代替弧形表面如圖3(a)所示，其改進參數(shù)分別為切割高度h與切割角度θ，如圖3(b)所示。

(a)永磁轉(zhuǎn)子改進

(b)改進參數(shù)
圖3改進永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

為了確保采用該結(jié)構(gòu)能夠達到優(yōu)化氣隙磁密波形的目的，本文利用ansoft有限元仿真軟件進行初步仿真，仿真證明采用梯形表面磁極的永磁調(diào)速器氣隙磁密波形的確優(yōu)于瓦片形。

分別對具有梯形磁極和瓦片形磁極的永磁調(diào)速器進行輸出轉(zhuǎn)矩以及氣隙磁密的仿真，兩種結(jié)構(gòu)的永磁轉(zhuǎn)子個數(shù)(6個)，厚度(20 mm)與軸心角α(30°)均相同，梯形表面永磁體的切割高度h為10 mm。仿真時間為20 ms、步長500 μs、誤差0.05、剖分方式為手動剖分磁極剖分尺寸5 mm，其余結(jié)構(gòu)剖分尺寸10 mm，后處理時對弧線上的氣隙磁密在15 ms時進行查看，氣隙磁密仿真結(jié)果如圖4所示。

(a)瓦片形磁極

(b)梯形磁極圖4　氣隙磁密仿真

通過仿真數(shù)據(jù)可以看出改進轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)后，氣隙磁密波形的諧波明顯減少，對上述兩個波形進行傅里葉分解后可以明顯看到氣隙磁密波形的改善,如圖5所示。

(a)瓦片形轉(zhuǎn)子

(b)梯形表面轉(zhuǎn)子圖5　氣隙磁密傅里葉分解結(jié)果

由于采用梯形轉(zhuǎn)子減少了永磁體的體積，所以輸出轉(zhuǎn)矩不可避免會減少，但是經(jīng)仿真驗證發(fā)現(xiàn)：因改進結(jié)構(gòu)而損失的輸出轉(zhuǎn)矩數(shù)值很小，不會影響永磁調(diào)速器的正常運行，仿真結(jié)果如圖6所示。進一步通過增加軸心角或者增加背襯鋼環(huán)外徑等方式可以彌補減少的轉(zhuǎn)矩[4]，所以與改善永磁調(diào)速器性能增強其運行穩(wěn)定性相比，減少一部分微小且可彌補的輸出轉(zhuǎn)矩顯然是可行的。

(a)瓦片形轉(zhuǎn)子

(b)梯形表面轉(zhuǎn)子圖6　輸出轉(zhuǎn)矩仿真

1.2　優(yōu)化參數(shù)的選擇

在優(yōu)化參數(shù)的選擇上，本文選擇3個參數(shù)進行優(yōu)化，分別是軸心角α、切割高度h和切割角度θ，軸心角如圖7所示。

圖7　軸心角示意圖

為了彌補因改進磁極表面而損失的輸出轉(zhuǎn)矩，本文采取的方法是增加軸心角α的角度。分別對α取值為30°、35°及40°(其它參數(shù)取值相同見表1)改進型永磁調(diào)速器進行仿真，發(fā)現(xiàn)當α取值為40°時其輸出轉(zhuǎn)矩達到了87 N·m左右，仿真曲線見圖8。

圖8　輸出轉(zhuǎn)矩仿真

因此α的取值為40°，在θ分別取值45°、55°以及65°時對應h優(yōu)化參數(shù)組合為9組，表2為θ與h的優(yōu)化參數(shù)的組合表。

表2　優(yōu)化參數(shù)組合表

受運行環(huán)境的限制，永磁調(diào)速器大部分結(jié)構(gòu)的參數(shù)是固定的[5]，但是為了達到最優(yōu)性能,除了上文提到的優(yōu)化參數(shù)外，其它參數(shù)仍要選擇恰當數(shù)值，這些參數(shù)包括銅盤厚度以及永磁體的厚度等。在其它參數(shù)的選擇上，本文采用文獻[3]的優(yōu)化方法優(yōu)化后的參數(shù)。

2　參數(shù)優(yōu)化過程

令θ分別45°、55°以及65°，軸心角α取值分別為30°、35°與40°以及對應切割高度h分別取值5 mm、10 mm以及15 mm時，利用有限元法[5]求得相應的氣隙磁密波形畸變率kBδ、渦流損耗[4]Ploss以及輸出轉(zhuǎn)矩T,如表3、表4、表5所示。

表3　不同(θ，h)參數(shù)組合的性能指標1

表4　不同(θ，h)參數(shù)組合的性能指標2

表5　不同(θ，h)參數(shù)組合的性能指標3

由前文提到的本設計方案的要求：輸出轉(zhuǎn)矩允許下限值為80 N·m，渦流損耗上限值為500 W，所以優(yōu)化后的參數(shù)選擇為θ=55°、α=40°以及h=10 mm。

3　仿真驗證

仿真在上文優(yōu)化后的參數(shù)下進行，其余參數(shù)見表1，仿真結(jié)果見圖9。

從仿真結(jié)果可以明顯看出：進行參數(shù)優(yōu)化后的改進型永磁調(diào)速器性能明顯提高，與優(yōu)化前相比，輸出轉(zhuǎn)矩由80 N·m左右提高到87 N·m，氣隙磁密波形的諧波明顯減少，因此優(yōu)化方法是可行的。

(a)轉(zhuǎn)矩仿真曲線

(b)氣隙磁密波形傅里葉分解圖9　仿真驗證曲線

4　結(jié)論

針對嵌入瓦片形磁極的軸向APMC容易形成共振的問題，提出一種改進型軸向APMC-嵌入梯形磁極的軸向APMC。以渦流損耗、輸出轉(zhuǎn)矩以及氣隙磁密波形畸變率為設計性能指標，使用有限元法對改進型APMC進行參數(shù)設計與優(yōu)化并得到了理想的結(jié)構(gòu)參數(shù)。本文設計的改進型軸向APMC能夠有效減少振動，提高運行狀態(tài)的穩(wěn)定性，可以應用于高精密儀器制造、旋轉(zhuǎn)設備精確調(diào)速等對于轉(zhuǎn)速控制精確度要求較高的工作場合。

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