基于時(shí)步有限元法的永磁調(diào)速器機(jī)械特性

文/赫勝男

本文建立了永磁調(diào)速器的二維電磁模型，應(yīng)用有限元仿真軟件ANSYS Maxwell 建立了盤式永磁調(diào)速器的三維電磁模型，在此模型的基礎(chǔ)上對(duì)永磁調(diào)速器的轉(zhuǎn)矩、功率和損耗進(jìn)行計(jì)算，得到了各個(gè)參數(shù)對(duì)永磁調(diào)速器輸出轉(zhuǎn)矩的影響分布曲線，從而為設(shè)計(jì)大功率的永磁調(diào)速器提供理論依據(jù)。

1 永磁調(diào)速器的解析模型

基于分離變量法建立單組盤式永磁調(diào)速器的電磁解析模型，分析包含相鄰磁極的一個(gè)周期。

轉(zhuǎn)矩公式為：

式中：V 為從動(dòng)盤間氣隙體積；R1為導(dǎo)體盤的外半徑；R2為導(dǎo)體盤的內(nèi)半徑。

2 三維有限元分析

建立模型時(shí)做如下假設(shè)：

（1）忽略永磁調(diào)速器的輸入端和輸出端的端部漏磁；

（2）忽略溫度變化對(duì)永磁調(diào)速器銅盤和永磁體盤厚度及性能的影響；

（3）忽略永磁調(diào)速器銅盤和永磁體盤的彈性形變。

在ANSYS Maxwell 中，設(shè)定原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1455r/min，導(dǎo)體盤和永磁體相對(duì)運(yùn)動(dòng)，設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)為2.83e-3s。永磁調(diào)速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1：永磁調(diào)速器的三維有限元模型參數(shù)

永磁調(diào)速器隨著轉(zhuǎn)差率的增加，其輸出轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，如圖1所示，在轉(zhuǎn)差率為0.07 時(shí)達(dá)到最大，最大為3100Nm，此時(shí)的功率為440kW。銅盤損耗與輸出功率的關(guān)系如圖2所示。在轉(zhuǎn)差率0～0.2 范圍內(nèi)，銅盤損耗隨著轉(zhuǎn)差率的提高在不斷增大，在轉(zhuǎn)差率為0.2 時(shí)達(dá)到最大，為55kW，這時(shí)該損耗占總功率的20.0%。

轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率有關(guān)系式：P=T·n/9550。如圖3所示，永磁調(diào)速器的輸出功率隨著轉(zhuǎn)差率的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在轉(zhuǎn)差率為0.07 時(shí)達(dá)到最大，為420kW，此時(shí)永磁調(diào)速器的銅盤損耗為30.1kW，工作效率為92.9%。

同時(shí)，在永磁調(diào)速器的額定工作狀態(tài)s=0.04 時(shí)的輸出功率為380kW，此時(shí)的效率為96.0%。

3 總結(jié)

本文介紹了盤式永磁調(diào)速器的工作原理，建立了二維解析模型和有限元三維模型，得到了解析模型關(guān)系式和轉(zhuǎn)矩表達(dá)式。永磁體調(diào)速器工作在轉(zhuǎn)差率為0.07 時(shí)達(dá)到最大，為420kW，此時(shí)銅盤損耗為30.1kW，工作效率為92.9%。具有較高的效率。

圖1：永磁調(diào)速器轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

圖2：永磁調(diào)速器轉(zhuǎn)差率與損耗的關(guān)系

圖3：永磁調(diào)速器轉(zhuǎn)差率與輸出功率的關(guān)系