分段式导体结构永磁调速器传动性能研究_吴鹏向.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 03 期69文章编号：2095-6835（2023）03-0069-03分段式导体结构永磁调速器传动性能研究吴鹏向（广东工业大学信息工程学院，广东 广州 510000）摘要：在负载功率较大时永磁调速器难以获得较大范围的调速区间，提出了一种分段式导体结构永磁调速器。通过有限元分析，将分段式导体结构与常规结构永磁调速器的输出转矩特性进行比较分析，探究分段式结构对转矩特性的影响。通过比较结果得知，在不改变模型结构参数且转差较低时，分段式导体结构的输出转矩略低于常规调速器，但新结构调速器使调速范围大幅提高。关键词：永磁调速器；涡流感应；分段式导体；有限元仿真中图分类号：TH133.4文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.03.020随着高矫顽力和高磁能积的永磁材料的发展，永磁调速器近年来受到人们的关注，在军工、化工、矿业、发电等工业领域得到了广泛的应用1，如风机、泵机、传送器等，这些工业设备负载功率大、工作环境复杂、安全性可靠性要求高2。永磁调速器是通过永磁体和导体之间产生相对运动，导体在变换的磁场中产生涡流，产生感应磁场并且与原磁场相互作用使转子转动3。由于导体与永磁体无机械连接，电机输入端和负载输出端隔离，从而免去了振动带给电机的影响，使得电机可以平稳工作，大大降低维护成本4。为了提高永磁调速器性能以及模型的精度，众学者深入研究了各种调速器的结构参数以及致力于开发新型调速器。LIU 等5对筒式永磁调速器结构参数对转矩的影响规律进行了基本总结；WANG 等6在解析中加入了涡流修正因子，提高解析模型的准确性；YANG等7-8等学者优化了永磁调速器解析模型，增加对温度及感抗的考虑，提高解析模型精度。一般而言，盘式调速器是通过调节气隙间距来达到调节转速的目的，筒式永磁调速器通过调节耦合程度来转速，在轴向上水平移动来调节气隙间隙或耦合面积，此方式对轴向空间的占用率高，可靠性和稳定性低。对此，TIAN等9提出一种双层永磁转子结构调速器，利用双层永磁转子的角度差减小有效磁通量而调节转速。LI 等10提出一种带调隙磁环结构的调速器，该调速器通过移动调磁环来达到调速的目的。现有的永磁调速器研究主要针对新型结构调速、解析模型，提高最大输出转矩，较少关心其调速范围或所研究的永磁调速器功率较小。针对大功率永磁调速器，其输出转矩特性曲线往往无法适配高功率负载，导致转速条件区间较小。本文提出一种分段式导体结构的永磁调速器，通过与常规导体结构调速器相比探究其调速范围。1结构及工作原理永磁调速器如图 1 所示，其采用双层导体结构，主要部件包括永磁转子与导体转子，其结构参数如表 1所示。导体转子内外 2 层铜环分别固定在内外层磁轭上，同时磁轭安装在支撑圆盘上；永磁转子包括磁轭与永磁体，永磁体采用长方体结构并分别安装在永磁转子磁轭内外两侧，同一角度的内外两侧永磁体充磁方向相同，相邻 2 块永磁体充磁相反，沿径向向内或向外。导体转子连接电机端，永磁转子连接负载端，当导体转子与永磁转子产生相对运动时，导体产生感应电场，与永磁体磁场相互作用从而起到传输动力的作用。电机端为恒转速输入，当永磁转子沿轴线方向向外运动时，调速器至负载端的输出转矩降低进而导致转速降低，达到调速的目的。图 1永磁调速器剖面图lsl2l3lclrlsla导体r0磁轭永磁体科技与创新Science and Technology&Innovation702023 年 第 03 期表 1调速器结构参数结构参数具体数值永磁转子磁轭外径 r0/mm380永磁体厚度 lr/mm20永磁体宽度 l1/mm60永磁体长度 l2/mm120永磁体极对数 p12导体筒厚度 lc/mm6导体筒长度 l3/mm150气隙宽度 la/mm7磁轭厚度 ls/mm182仿真分析使用 ANSYS Maxwell 有限元仿真软件搭建永磁调速器模型。磁轭采用 ANSYS Maxwell 材料库中的steel_1010，铜设置为 copper，永磁体使用自定义材料钕铁硼 N38，气隙设置为air，相关性能参数如表 2 所示。表 2材料性能参数性能参数具体数值空间磁导率0/（NA-2）410-7永磁体相对磁导r1.197永磁体剩磁 Br/T1.22永磁体矫顽力 Hr/（kAm-1）899铜的电导率/（sm-1）5.6107图 2 为永磁调速器在不同耦合程度下转速-转矩曲线与负载特性曲线，该负载为二次方负载，即转矩与转速的平方成正比，系数为 ks=2.7610-3，负载在额定转速下功率为 900 kW。交点 a 为在 100%耦合状态下调速器的工作点，此时输出转速为 1 475 r/min 输出转矩为 6 011 Nm，是该工作点调速器所能达到的最大转速和转矩状态；随着耦合程度的减小，工作点从 a 移动到了 c，此时输出转速降低到 1 445 r/min；在工作点移动到 d 点时，此时转速为 1 400 r/min，转矩为5 416 Nm，若继续减小耦合面积，调速器将无法稳定工作在 de 范围内，在该区间内调速器转速-转矩特性与负载特性曲线无稳定工作点。所以该尺寸模型下耦合器的调速范围为 1 4001 475 r/min 与 0695 r/min。在不改变永磁调速器各结构参数下，导体结构为分段式结构，将一个导体筒分割为 2 个导体筒串接，如图 3 所示，导体中间采用绝缘材料分割开，仿真设置为厚度 0.1 mm 的空气。通过改变 Lc1与 Lc2的长度比，探究该结构对输出转矩以及调速范围的影响。分段导体长度比为 Lc1Lc2=132 时，机械特性曲线与负载曲线如图 4 所示。最大工作点为点 a，对应的转速为 1 470 r/min，达到点 c 后存在部分无法调速区域。则该比例分段结构下调速范围为 1 4001 470 r/min 与 0840 r/min。与常规调速器相比最大转速略有降低，但其整体调速范围更大。图 2不同耦合程度下机械特性与负载特性曲线图 3分段式导体结构调速器示意图图 4Lc1Lc2=132 时调速特性Lc1Lc2=114 时调速特性如图 5 所示，工作点 a为最大转速和转矩工作点，此时转速为 1 450 r/min，转矩为 5 809 Nm。相比于常规永磁调速器最大工作点转速与转矩略微降低，但在任何耦合程度下，转速-转矩曲线与负载曲线均只存在一个交点，且该工作点均为稳定工作点，所以该比例分段导体结构调速器调速范围为 01 450 r/min，远大于常规调速器的调速范围。转速/（rmin-1）12 00010 0008 0006 0004 0002 00001 5001 3501 2001 05090075060045010 0008 0006 0004 0002 00001 5001 3501 2001 050900750600450转速/（rmin-1）lslclal3lsl2lr磁轭r0lc1绝缘层lc2负载100%83%66%50%100%83%66%50%负载Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 03 期71图 5Lc1Lc2=114 时调速特性分段导体长度比为 Lc1Lc2=96 时，永磁调速器的调速特性如图 6 所示。在任何耦合程度下，调速器工作曲线与负载曲线均只有一个交点，且均为稳定工作点，最大转速为 1 440 r/min，所以该比例下分段式导体结构永磁调速器的调速范围为 01 440 r/min。图 6Lc1Lc2=96 时调速特性3结论通过比较结果得知，在不改变模型结构参数的情况下，低转差时，分段式导体结构永磁调速器最大输出转矩与转速略低于常规调速器，上述 3 种长度比分段式导体结构调速器在转差大时调速范围均大于常规调速器。随着长度比越小即导体长度越接近，分段式结构调速器所能达到的最大转速及最大转速越低，当Lc1Lc2=114 时，调速器调速范围达到最大，为 01 450 r/min。参考文献：1杨超君，吉城龙，张秀文，等.筒式异步磁力耦合器的转矩与调速关系研究J.电机与控制学报，2019，23（1）：108-116.2 ZHENG D，GUO X.Analytical prediction andanalysis of electromagnetic-thermal fields in PMeddy current couplings with injected harmonics intomagnet shape for torque improvementJ.IEEEaccess，2020（6）：293-298.3 ZHAO L，DAZHI W，DI Z，et al.Analytical modelingand analysis of magnetic field and torque for novelaxial flux eddy current couplers with PM excitationJ.AIP advances，2017，7（10）：17-23.4 ABEROOMANDV，MIRSALIMM，FESHARAKIFARDR.Designoptimizationofdouble-sided permanent-magnet axial eddy-currentcouplers for use in dynamic applicationsJ.IEEEtransactionsonenergy conversion，2019，34（2）：28-36.5LIU Y G，YANG X W，JING X S.Research onsensitive parameters of cylinder permanent magneteddy current couplingG/Proceedings of 2019international conference on advanced electrical，mechatronics and computer engineering（AEMCE2019），2019.6 WANG J，ZHU J G.A simple method forperformance prediction of permanent magnet eddycurrent couplings using a new magnetic equivalentcircuit modelJ.IEEE transactions on industrialelectronics，2018，65（3）：53-58.7YANG X W，LIU Y G，WANG L.An improvedanalytical model of permanent magnet eddy currentnagnetic coupler based on electromagnetic-thermalcouplingJ.IEEE access，2020（8）：230-237.8YANG X W，LIU Y G.An improved performanceprediction model of permanent magnet eddy currentcouplingsbasedoneddycurrentinductancecharacteristicsJ.AIP advances，2019，9（3）：61-65.9 TIAN M M，ZHAO W L，WANG X H，et al.Analysison a novel flux adjustable permanent magnetcoupler with a double-layer permanent magnet rotorJ.IEEE transactions on magnetics，2018，54（11）：8-13.10 LIYB，LIN HY，YANGH，