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永磁磁力耦合器优化设计仿真分析

2016/11/18    来源:互联网    作者:李存贺      
关键字:仿真  Ansoft Maxwell  有限元分析  
本文在Ansoft Maxwell软件中建立不同类型的永磁磁力耦合器仿真模型,对永磁磁力耦合器进行三维瞬态磁场有限元仿真分析。通过仿真分析得到永磁磁力耦合器的磁密分布和涡流密度分布,仿真计算出转差、气隙间距、铜盘厚度以及永磁体厚度对永磁磁力耦合器传递转矩的影响,对永磁磁力耦合器各部件的参数设计进行了优化。

1 前言

    随着永磁调速技术的发展,永磁磁力耦合器在现代工业中发挥了越来越重要的作用。通过永磁磁力耦合器连接的系统在运行时,主动转子和从动转子之间无直接的机械连接,实现了抗缓冲、隔离震动的优良效果,并且避免了驱动轴和负载轴无法精确对中时,对系统造成的损害。

    基于线性层理论提出了一种线性层模型,该模型将永磁磁力耦合器铜盘和永磁体盘之间的相对转动等效为相对的线性平移运动,进而对永磁磁力耦合器的优化设计进行了研究。用基于分离变量法的一种解析计算程序将三维问题转化为两维,进而对永磁磁力耦合器的特性进行了分析。利用等效电流模型对永磁磁力耦合器的气隙磁场建立解析模型,分析了气隙磁场的三维空间分布。以上方法计算复杂,并且计算精度不高。有限元法作为目前应用最广泛、适应性最强的数值计算方法,在瞬态涡流场、非线性涡流场以及非线性瞬态涡流场的计算中得到了广泛应用。Ansoft Maxwell是享誉世界的商用低频电磁场有限元软件,在工程电磁领域有着非常广泛的应用。为了确保分析计算的快速性和准确性,Ansoft软件基于Maxwell微分方程,采用了有限元离散形式,进而把工程电磁场计算转化为庞大的矩阵求解。本文采用Ansoft工程电磁场有限元分析软件分别建立不同类型的三维瞬态磁场的有限元模型,模拟实际运行情况,对模型进行仿真分析。最后利用试验平台对永磁磁力耦合器样机进行性能测试,实测值和有限元仿真值基本一致,说明仿真方法正确。

2 有限元分析和样机试验

    永磁磁力耦合器的基本结构如图1所示,其为左右对称式结构,主要由铜盘,永磁体,固定永磁体的永磁体盘,固定铜盘的端盖等部件构成。其中两个铜盘通过固定螺栓与钢性材质的左右端盖固定在一起,并与电机驱动轴连接在一起构成永磁磁力耦合器的主动转子(铜转子)。嵌有N、S极交替排列永磁体的永磁体盘与负载轴相连接,构成永磁磁力耦合器的从动转子(永磁转子)。主动转子与从动转子之间无机械连接,存在一定距离的气隙。

    永磁磁力耦合器是利用主动转子与从动转子之间的转差实现能量的传递。由于主动转子与从动转子之间存在转差,主动转予上的铜盘与从动转子上的永磁体存在相对运动,铜盘切割磁感线,在铜盘表面产生涡流。由磁力场同性相斥,异性相吸性质可知,涡流产生的感应磁场和永磁体磁场之间存在吸引力和排斥力,相邻感应磁场对永磁体的作用力在转方向上是叠加的,两个力在切向方向上合力拖动从动转子跟随主动转子旋转。正是通铜盘和永磁体盘之间的这种耦合作用实现了能量的传递。

图1 永磁磁力耦合器机械结构示意图

图1 永磁磁力耦合器机械结构示意图

    2.1 有限元分析

    参考现有永磁磁力耦合器主要型号对其各部件尺寸进行初步设计。设计一台额定功率45KW,额定输出转速1475 rpm,的永磁磁力耦合器样机,如图2(a)所示。永磁体盘外径为370mm,内径为90mm;端盖外径为430mm,内径为150mm;铜盘外径为370mm,内径为170mm;矩形永磁体长宽高为76mm×38mm×32mm。根据上述分析以及样机尺寸,在有限元分析软件Ansoft Maxwell中建立样机仿真模型如图2(b)所示,详细仿真模型如图2(c)和图2(d)所示。仿真模型的设计和材料参数如表1所示。在气隙为3mm时,选择铜盘和端盖设定涡流效应,设置运动选项,对仿真物体进行网格划分和求解设定,模拟实际运行情况,进行仿真分析仿真完成后在Maxwell软件中查看求解结果,永磁磁力耦合器铜盘处运行前后的磁密分布如图3、4所示。由图3可以看出,铜盘上磁密大小呈环状分布,形状与永磁体横截面形状近似一致,数量和永磁体数量相同,中心最大磁密均在0.93T左右,由内而外磁密B逐渐减小。由图4可以看出运行后磁密相比运行前有轻微减小,可以推知在气隙处感应涡流产生磁场对原永磁体磁场有削弱作用。

图2 永磁磁力耦合器的样机和有限元模型

图2 永磁磁力耦合器的样机和有限元模型

图2 永磁磁力耦合器的样机和有限元模型

表1 永磁磁力耦合器仿真模型设计和材料参数

表1 永磁磁力耦合器仿真模型设计和材料参数

图3 静态时磁密分布云图

图3 静态时磁密分布云图

图4  转差为50rpm时铜盘处磁密分布云图

图4  转差为50rpm时铜盘处磁密分布云图

责任编辑:马倩
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