高效永磁调速器的损耗计算与分析

点击量：2479   日期：2019-03-27

    摘要

    针对高效永磁调速器各部件的电磁损耗相关问题，以一台1MW高效永磁调速器为例，基于对损耗的理论分析和涡流场理论，建立了运动涡流场的三维有限元分析模型．利用时步有限元法，对1MW高效永磁调速器的铜盘损耗、永磁体涡流损耗以及永磁体背衬钢盘对转矩的影响进行了详细的分析与计算．通过对1MW高效永磁调速器的实验分析和有限元仿真，验证了分析与计算的正确性和规律的实用性．最后深入分析了分段永磁体对永磁体涡流损耗的影响，为永磁调速器的效率分析、散热设计以及损耗优化提供了理论依据．

    机械结构与时步有限元模型

    本文以一台1MW高效永磁调速器为损耗研究对象，高效盘式永磁调速器的机械结构示意图如图1所示．1MW高效永磁调速器样机参数如表1所示．在ANSYS有限元软件的电磁场模块中，利用时步有限元法对1MW高效永磁调速器的损耗进行计算，按参数建立的1MW高效永磁调速器全域时步三维有限元模型示意图如图所示．为了得到更精确的结果，仿真中设有500个计算点．为保证计算精度，铜盘和永磁体进行手动剖分，并考虑集肤效应．永磁调速器有限元模型共有剖分四面体202535个，其中永磁体分段四面体73582个，占总数的36.3%．

    铜盘涡流损耗分析
    铜盘的作用是传导感应的涡流，当永磁调速器高速运行时，涡流密度随时间不断变化，涡流的频率同步变高，此时铜盘上涡流引起的集肤效应不能忽略．在相对速度一定的情况下，整个铜盘的涡流总损耗在任意时刻都相同，因此暂态电流面密度也可以当作有效值来直接计算铜盘涡流值。对整个求解区域的外边界施加狄利克莱边界条件，可计算出铜盘上的平均涡流密度．由有限元计算可得出，铜盘上的涡流损耗为40kW．当转差率为0.04时，可以求出输出功率950kW，输出转矩为6500N・m，轴向力为－5500N．在基座上从右往左依次为交流电动机、永磁调速器、扭矩/转速仪、交流电动机和直流电动机，设备相互之间通过弹性联轴节进行连接．通过有限元分析软件得到的数据与实验数据相比较，可以看出，仿真计算得到的数据与实验数据很接近，进而验证了理论推导的正确性与有效性．

    钢盘厚度对转矩的影响及磁场分析

    由于永磁体背衬钢盘的厚度对输出转矩有一定的影响，所以本文重点研究永磁体的背衬钢盘对磁场的影响情况．对永磁调速器进行动态电磁仿真分析，磁力线从永磁体的N极发出，经过气隙、铜盘以及其后面的背衬钢盘，到达相邻永磁体的S极，最后通过永磁体的背衬钢盘构成闭合的主磁路。

    分段永磁体的涡流损耗分析

    永磁体分段是降低永磁体涡流损耗的一个有效的途径，具有较高的研究价值．在1MW高效永磁调速器的永磁体盘上，相邻永磁体之间存在些许的横向漏磁，分段永磁体同样可以解决漏磁通的问题．结合前面的理论研究，对分段处理永磁体如何能降低永磁体涡流损耗的原理进行分析．径向永磁体分段可以有效降低永磁体内的涡流损耗．当永磁体分段数大于两段后，永磁体内部涡流损耗减少量较为明显;当多于一定段数以后，涡流损耗减少量越来越小，最终趋于稳定．很显然，这一变化规律是一致的．把1MW高效永磁调速器铝盘上的每块永磁体沿径向平均分成几小段时，实际上是增加了永磁体内径向路径的电阻，有效减弱了永磁体内产生的涡流面密度，全部永磁体的涡流损耗可以明显减少，而且这并不会影响其输出扭矩的大小。

    结语
    本文对1MW高效永磁调速器的损耗机理进行较为详细的研究，使用三维电磁场对永磁调速器各部件损耗的分布进行了仿真分析．对铜盘涡流和永磁体涡流进行了损耗计算，对钢盘厚度对转矩和磁场的影响进行了分析，进一步分析了分段永磁体对永磁体涡流损耗的影响情况．永磁体沿径向由一整块分段成几小块时，可以显著减少永磁体上的涡流密度，永磁体内的涡流损耗也会降低．本文的研究内容对永磁调速器的效率分析、散热设计以及损耗优化有很好的借鉴价值．