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  • 頭條盤式永磁渦流驅(qū)動器的電磁-溫度耦合解析模型
    2020-09-02 作者:鄭迪、王大志、于林鑫、李召  |  來源:《電工技術(shù)學(xué)報》  |  點擊率:1218
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    導(dǎo)語東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院的研究人員鄭迪、王大志、于林鑫、李召,在2019年第11期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文,提出盤式永磁渦流驅(qū)動器的電磁-溫度耦合解析模型,用于進行電磁場解析計算和溫度場分析。 首先,基于分離變量法建立三維電磁場解析模型用于計算磁場分布,推導(dǎo)轉(zhuǎn)矩和渦流損耗表達式。然后,將渦流損耗作為熱源,基于等效熱網(wǎng)絡(luò)法建立溫度分析計算模型。電磁-溫度耦合解析模型的計算是考慮材料電磁和溫度特性隨溫度變化,通過溫度迭代過程實現(xiàn)的。 最后,利用該文提出的電磁-溫度耦合解析模型,分析轉(zhuǎn)矩、渦流損耗、永磁體和銅盤溫升隨負載的變化,并分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對轉(zhuǎn)矩的影響。將解析模型結(jié)果與有限元和實驗結(jié)果進行對比,證明解析模型的合理性和正確性。

    盤式永磁渦流驅(qū)動器由于磁場和結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢,廣泛應(yīng)用于風(fēng)機、泵、阻尼系統(tǒng)等工業(yè)領(lǐng)域。與傳統(tǒng)機械傳動設(shè)備相比,盤式永磁渦流驅(qū)動器具有軟啟動、隔離振動、自然保護過載、容忍較大對中誤差等優(yōu)勢。

    由于盤式永磁驅(qū)動器直接利用渦流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,銅盤中產(chǎn)生的感應(yīng)電流將會產(chǎn)生渦流損耗。渦流損耗引起的溫升將會導(dǎo)致永磁體不可逆的退磁,進而惡化電磁性能。因此,建立盤式永磁渦流驅(qū)動器的電磁-溫度耦合解析模型,進行電磁場解析計算和溫度場分析就非常必要和有意義。

    目前,盤式永磁渦流驅(qū)動器的研究主要集中在轉(zhuǎn)矩特性的分析。文獻[5]提出改進的二維電磁場解析模型進行轉(zhuǎn)矩特性分析。文獻[6]提出適用于小滑差情況的快速計算轉(zhuǎn)矩方法,對穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的轉(zhuǎn)矩特性進行了分析。文獻[7]提出三維解析模型用于分析轉(zhuǎn)矩和軸向力。

    文獻[8]提出考慮端部效應(yīng)和曲率效應(yīng)的改進三維解析模型用于分析轉(zhuǎn)矩特性。文獻[9]提出混合二維解析模型用于得到轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)表達式。文獻[10]基于等效磁路法建立解析模型用于推導(dǎo)轉(zhuǎn)矩公式,并分析參數(shù)變化對轉(zhuǎn)矩的影響。但是,電磁場分析和溫度場分析有著很強的相互作用關(guān)系。

    電磁場分析中的損耗作為熱源,將會引起溫升,反過來溫升又會影響電磁場分布和損耗。因此,為了確保盤式永磁渦流驅(qū)動器的成功設(shè)計和長時間工作,基于電磁-溫度耦合解析模型進行電磁場解析計算與溫度場分析十分必要。

    文獻[12]建立了三維電磁場解析模型計算渦流損耗,并預(yù)測銅盤溫度,但該解析模型僅適用于低滑差速度的情況,不適用于整個工作范圍。建立電磁-溫度耦合模型的方法有解析法和有限元法。盡管有限元法對精確計算較為有效,但該方法較為復(fù)雜、靈活性差、計算時間長。相比之下,解析法具有簡單、計算時間短、物理意義直觀等特點,適用于初步設(shè)計和基礎(chǔ)特性分析。

    本文提出了盤式永磁渦流驅(qū)動器的電磁-溫度耦合解析模型,用于電磁場解析計算與溫度場分析。該解析模型適用于盤式永磁渦流驅(qū)動器的整個工作范圍。

    首先,基于分離變量法建立三維電磁場解析模型,解析計算轉(zhuǎn)矩和渦流損耗。然后,建立等效熱網(wǎng)絡(luò)模型用于溫度場分析,考慮材料特性隨溫度變化,進行電磁-溫度耦合分析。最后,進行三維有限元分析和樣機實驗驗證,將氣隙磁場分布、轉(zhuǎn)矩、結(jié)構(gòu)參數(shù)對轉(zhuǎn)矩的影響、渦流損耗、溫度分布等電磁-溫度耦合解析模型結(jié)果與有限元和實驗結(jié)果進行對比,證明解析方法的正確性。

    盤式永磁渦流驅(qū)動器的電磁-溫度耦合解析模型

    圖1 盤式永磁渦流驅(qū)動器結(jié)構(gòu)

     

    盤式永磁渦流驅(qū)動器的電磁-溫度耦合解析模型

    圖8 盤式永磁渦流驅(qū)動器實驗平臺

    結(jié)論

    本文提出了盤式永磁渦流驅(qū)動器的電磁-溫度耦合解析模型,進行了電磁場解析計算和溫度場分析。通過研究分析,得出以下結(jié)論:

    1)在柱坐標(biāo)系下,建立了三維電磁場解析模型用于計算電磁場分布,并推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩和渦流損耗表達式。

    2)建立了盤式永磁渦流驅(qū)動器等效熱網(wǎng)絡(luò)模型進行溫度場分析。本文提出的電磁-溫度耦合解析模型考慮材料電磁和溫度特性隨溫度變化,通過溫度迭代實現(xiàn)模型的計算。

    3)基于本文提出的電磁-溫度耦合解析模型,分析了氣隙磁場分布,轉(zhuǎn)矩、渦流損耗、永磁體和銅盤溫升隨負載的變化,并分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對轉(zhuǎn)矩的影響。

    4)本文對盤式永磁渦流驅(qū)動器進行了三維有限元和實驗驗證,并將解析結(jié)果與有限元和實驗結(jié)果進行了對比。結(jié)果表明,本文提出的電磁溫度耦合解析模型是合理的、正確的,可以為盤式永磁渦流驅(qū)動器的設(shè)計和開發(fā)提供一個相當(dāng)準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

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