何文博,關(guān)煥新
(沈陽工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110136)
在我國工業(yè)生產(chǎn)中,通常使用電動機作為動力的輸入元件來拖動負載。在傳統(tǒng)的電動機拖動系統(tǒng)中,電動機與負載之間通常設(shè)置聯(lián)軸器,所以聯(lián)軸器的性能以及效率高低決定了整個電動機拖動系統(tǒng)的效率。過去,聯(lián)軸器使用硬機械連接方式,硬機械連接方式采用的是接觸傳遞扭矩,傳動不平穩(wěn),系統(tǒng)振動以及噪聲較大,運行維護成本較高,系統(tǒng)可靠性較差,這種連接方式已逐漸被淘汰。
國內(nèi)主流的調(diào)速有液力耦合調(diào)速、變頻調(diào)速2種形式。近幾年,國內(nèi)對稀土永磁材料的研究逐漸增多,多種永磁設(shè)備不斷出現(xiàn),永磁調(diào)速器應(yīng)運而生。永磁調(diào)速是近年來發(fā)展起來的一項新的突破性調(diào)速技術(shù)[1],其具有傳動效率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境要求低、安裝簡單、運行維護成本低等優(yōu)點,已被很多大型企業(yè)作為節(jié)能改造的手段,具有很好的市場前景。永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)
永磁調(diào)速器在運行過程中轉(zhuǎn)差功率損耗大部分以熱量形式散失,導(dǎo)致其各部件溫度升高。而永磁材料在高溫下會發(fā)生不可逆的退磁現(xiàn)象[2],這對永磁調(diào)速器的可靠性、壽命以及性能造成不良影響,因此分析計算永磁調(diào)速器的溫度場對整機設(shè)計和運行具有重要意義。
本文利用Ansoft 3D仿真軟件,通過有限元方法,對軸向永磁調(diào)速器進行模型仿真。其中,模型參數(shù)結(jié)合參數(shù)范圍選取公式以及現(xiàn)場調(diào)研(基于丹東蒲石河抽水儲能電動機項目)的情況選取,利用模型對永磁體及銅盤的軸向溫度分布情況進行分析,利用仿真圖形推導(dǎo)轉(zhuǎn)矩與銅盤以及轉(zhuǎn)子厚度、溫度與銅盤及轉(zhuǎn)子厚度的關(guān)系,驗證本次模型參數(shù)選取的正確性,對永磁體部分參數(shù)的選取提供參考。
參數(shù)值選取過大會造成材料的浪費,反之選取過小會使電動機出力不足,無法滿足運行需求。因此合理的選取范圍是模型參數(shù)選取的前提。參數(shù)選取一般遵循如下方法。
a. 銅轉(zhuǎn)子
銅轉(zhuǎn)子參數(shù)主要包括轉(zhuǎn)子直徑、轉(zhuǎn)子厚度、長徑比,銅轉(zhuǎn)子的直徑選取可以參考如下公式:
(1)
式(1)可變化為
(2)
(3)
b. 氣隙厚度
氣隙厚度是影響永磁調(diào)速器性能的重要因素之一,氣隙厚度大,氣隙磁感應(yīng)強度小,傳動能力不足;氣隙厚度小,氣隙磁感應(yīng)強度大,傳動能力大[3]。因此,設(shè)計永磁調(diào)速器時,氣隙盡量小,但氣隙厚度的大小受到加工水平及支撐系統(tǒng)的剛度等影響,所以一般選2 mm以上。
c. 永磁轉(zhuǎn)子
永磁體材料根據(jù)運行要求以及實際環(huán)境選擇,永磁體極數(shù)增多,磁場的變化頻率增大,輸出功率增大,但是極數(shù)增至一定程度時,永磁體間產(chǎn)生的漏磁增大,輸出功率反而減小,所以極數(shù)應(yīng)該合理選擇[4]。永磁體尺寸主要有磁極厚度hm、極弧系數(shù)αi。其中永磁體的厚度是指永磁體磁化方向的尺寸,永磁體厚度大,能夠提供磁路的磁動勢大,但過厚會使磁路磁阻和漏磁增大,轉(zhuǎn)矩增加有限;若厚度小,則永磁調(diào)速器的出力不足,一般取:
(4)
式中:hm為磁體厚度;Ks為外磁路飽和系數(shù);Kδ為氣隙修正系數(shù);hg為氣隙厚度;Hc為磁體矯頑力。結(jié)合式(1)、式(2)、式(3)以及現(xiàn)場調(diào)研情況得到永磁體仿真模型參數(shù),見表1。
表1 永磁體仿真模型參數(shù)
結(jié)合表1,利用Ansoft 3D仿真軟件作圖,如圖2所示。仿真環(huán)節(jié)設(shè)定region的尺寸間距為5 mm,band尺寸軸向間距為1 mm,徑向間距為5 mm,網(wǎng)格剖分設(shè)置為自定義,剖分永磁體剖分為10 mm,其余部件剖分為15 mm,仿真時間為1 s,步長為500 μs,誤差為0.005,邊界條件為零矢量邊界條件。
圖2 軸向永磁調(diào)速器有限元模型
有限元求解模型中,取15 ℃為初始溫度。
軸向永磁體在額定負載下的溫度分布如圖3所示??梢郧逦乜闯龈邷貐^(qū)域位于永磁體靠近軸向銅盤的中心區(qū)域,這是由于永磁體上會產(chǎn)生永磁體渦流損耗并產(chǎn)生熱量。低溫區(qū)域主要位于與永磁轉(zhuǎn)子鋼盤相近的一側(cè),這是由于熱量能通過鋼盤迅速散發(fā)出去??梢钥闯?,溫度隨著軸向靠近鋼盤的方向遞減。
圖3 軸向永磁體溫度分布圖
由于參數(shù)量較多,為了簡化分析,只選取厚度作為自變量,繪制溫度與厚度關(guān)系圖。又由于實際運行環(huán)境中,轉(zhuǎn)矩的大小也是影響永磁調(diào)速器的重要特性,所以利用轉(zhuǎn)矩圖與溫度圖結(jié)合分析。其他參數(shù)依然按照原始參數(shù)進行設(shè)置,利用Ansoft 3D仿真軟件參數(shù)化掃描功能得出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子厚度關(guān)系,如圖4所示。
圖4 轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子厚度關(guān)系圖
由圖4可以看出,一開始隨著轉(zhuǎn)子厚度增大,轉(zhuǎn)矩會隨之增大,但是當(dāng)轉(zhuǎn)子厚度增大到一定程度時,轉(zhuǎn)矩增加不明顯,因為永磁體厚度增大,磁路中的磁阻以及漏磁也會增大[5],扭矩增加趨于飽和,因此轉(zhuǎn)子厚度達到一定值后,厚度增加已經(jīng)意義不大。
溫度與轉(zhuǎn)子厚度關(guān)系如圖5所示。從圖5可以看出溫度受轉(zhuǎn)子厚度變化影響不大,這是因為轉(zhuǎn)子厚度增大時,磁阻增大,但是渦流主要集中在銅盤上,升高的大部分熱量也在銅盤上產(chǎn)生,所以轉(zhuǎn)子厚度對轉(zhuǎn)子本身的溫度影響并不大。結(jié)合圖4與圖5,轉(zhuǎn)子厚度取到一定值后,在滿足出力的情況下,再增大轉(zhuǎn)子厚度對優(yōu)化性能已經(jīng)沒有效果。
圖5 溫度與轉(zhuǎn)子厚度關(guān)系圖
軸向銅盤的溫度分布如圖6所示。最高溫升集中在內(nèi)圓環(huán)1/5~2/3處,最高溫度達到107 ℃,這個范圍內(nèi)的圓環(huán)區(qū)域是磁場交變的重點區(qū)域。從溫度分布中可以清晰看出,銅環(huán)外部比內(nèi)部溫度低36 ℃,這是由于外部銅環(huán)與轉(zhuǎn)子外殼距離較近,熱傳導(dǎo)系數(shù)和散熱系數(shù)較好。
圖6 軸向銅盤溫度分布圖
轉(zhuǎn)矩與銅盤厚度關(guān)系如圖7所示。圖7可以看出,當(dāng)銅盤厚度開始增大時,轉(zhuǎn)矩隨之明顯增大,并在6~7 mm處達到峰值;之后銅盤厚度繼續(xù)增大時,渦流增加有限并趨近飽和,磁阻增大,損耗激增并轉(zhuǎn)化為熱量,因此轉(zhuǎn)矩反而降低。
圖7 轉(zhuǎn)矩與銅盤厚度關(guān)系圖
溫度與銅盤厚度關(guān)系如圖8所示。圖8可以看出,溫度隨銅盤厚度增大而升高,但是升高的幅度不明顯。銅盤厚度變大,磁阻變大,渦流損耗變大并轉(zhuǎn)化為熱量,因此銅盤溫度會隨之升高。結(jié)合圖7與圖8來看,銅盤厚度應(yīng)該依據(jù)實際要求來設(shè)計,當(dāng)銅盤厚度達到一定值后,增加厚度只會增加材料成本并且會使轉(zhuǎn)矩變小。
本文選取所需公式和現(xiàn)場實際要求對永磁調(diào)速器的參數(shù),利用Ansoft 3D仿真軟件對永磁調(diào)速器
圖8 溫度與銅盤厚度關(guān)系圖
的銅盤和轉(zhuǎn)子進行了軸向溫度仿真[6],分別分析了永磁體銅盤和轉(zhuǎn)子的軸向溫度分布、厚度對轉(zhuǎn)矩與溫度的影響,為實際設(shè)計永磁體參數(shù)提供一定參考。