永磁調(diào)速器溫度場仿真分析

王延杰　周三平

【摘 要】永磁調(diào)速器在運(yùn)行過程中，由于渦流損耗，導(dǎo)致其溫度升高，而永磁體在高溫下易退磁。本文采用計算流體力學(xué)方法，用ANSYS-Fluent軟件對永磁調(diào)速器的流場和溫度場進(jìn)行數(shù)值仿真，在分析流場和溫度場分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，對永磁調(diào)速器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，在其導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子兩側(cè)面均開端面窗口并添加葉片。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，永磁調(diào)速器內(nèi)流場流量增大，溫度降低，達(dá)到了永磁體要求的溫度范圍，為永磁調(diào)速器的通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】永磁調(diào)速器；通風(fēng)散熱；溫度場；仿真分析

0 引言

永磁調(diào)速器是利用永磁磁力驅(qū)動技術(shù)通過調(diào)速結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)調(diào)速目的的調(diào)速傳動裝置[1]。與液力耦合器和變頻器相比具有結(jié)構(gòu)簡單、無機(jī)械連接、高效驅(qū)動、高效節(jié)能、維護(hù)簡單、壽命長等特點，在發(fā)電、冶金、石化、采礦等行業(yè)廣泛應(yīng)用。

永磁調(diào)速器在運(yùn)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]，對其運(yùn)行可靠性和壽命造成不良影響。為了使永磁調(diào)速器能夠在安全條件下運(yùn)行，有必要分析各部分溫度分布，以便改進(jìn)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化傳熱，降低溫度。

1 永磁調(diào)速器的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 永磁調(diào)速器的結(jié)構(gòu)

永磁調(diào)速器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子組成，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與電機(jī)軸相連，永磁轉(zhuǎn)子與負(fù)載軸相連，兩者之間存在氣隙無直接機(jī)械連接[3]。

1.2 永磁調(diào)速器的工作原理

導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與電機(jī)連接在一起，永磁轉(zhuǎn)子和負(fù)載連接在一起，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，帶動導(dǎo)體轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子上的磁場就發(fā)生變化，在其表面形成渦流，渦流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場與永磁體產(chǎn)生的磁場相互作用，使永磁轉(zhuǎn)子也隨之轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的傳輸[4]。

2 永磁調(diào)速器流場和溫度場的仿真分析

2.1 模型的建立

用ANSYS Workbench中的Design Modeler模塊建立了永磁調(diào)速器的三維實體模型所示。為了避免邊界效應(yīng)，將入口外延150mm，出口選為風(fēng)罩出口處。

2.2 網(wǎng)格的劃分

內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分采用四面體網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)突變處采用網(wǎng)格細(xì)化的方法，以確保網(wǎng)格的連續(xù)性和劃分質(zhì)量，便于準(zhǔn)確處理邊界條件，提高計算精度，得到節(jié)點數(shù)為147020，單元數(shù)為87613。

2.3 邊界條件

根據(jù)永磁調(diào)速器的結(jié)構(gòu)特點和求解區(qū)域，邊界條件設(shè)置如下：

（1）空氣流道的Inlet（入口）和Outlet（出口）分別設(shè)置為壓力入口和壓力出口，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度設(shè)置為外延環(huán)境大氣溫度20℃；

（2）主動輪和從動輪流體壁面均設(shè)置為繞Z軸轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)壁面，轉(zhuǎn)速分別為3000rpm和1500rpm，熱能項均設(shè)置為系統(tǒng)耦合；

（3）永磁體流體壁面同樣設(shè)置為繞Z軸轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)壁面，轉(zhuǎn)速與從動輪流體壁面保持一致為1500rpm，熱源項根據(jù)實際工況中的效率損失等效計算設(shè)置其發(fā)熱率為4×105w/m3；

（4）風(fēng)罩與外界的接觸流體壁面采用第三類邊界條件，周圍空氣介質(zhì)溫度設(shè)置為20℃，邊界換熱系數(shù)α由經(jīng)驗公式計算得到約為10w/（m2·k）。

2.4 仿真求解分析

永磁調(diào)速器的速度跡線如圖2所示，銅導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子包圍的中心流體流速較小，大量空氣累積而不能流出，進(jìn)出口總流量為0.57kg/s，只有少量空氣進(jìn)出，無法與外界形成有效對流，導(dǎo)致永磁調(diào)速器永磁體溫度較高，達(dá)到120.2℃，超出永磁材料在能夠承受的溫度范圍。

3 永磁調(diào)速器的模型改進(jìn)和分析

考慮到導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子所包圍的中心區(qū)域流體只做低速轉(zhuǎn)動而不能流出，導(dǎo)致永磁調(diào)速器溫度場過高，在導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子側(cè)面開窗口，以加大導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子所包圍的中心區(qū)域流體與外界的對流，同時在兩側(cè)添加葉片，以加大流體導(dǎo)入和導(dǎo)出中心區(qū)域的動力，從而增加永磁調(diào)速器內(nèi)空氣的流通量，加大熱量的對流。

對改進(jìn)后的模型進(jìn)行數(shù)值仿真，速度跡線和溫度場分布如圖3所示。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后進(jìn)出口總流量分別高達(dá)2.37kg/s，遠(yuǎn)大于改進(jìn)前的0.57kg/s。最高溫度由改進(jìn)前的120.2℃降至74℃，可見永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，降溫效果明顯。

4 結(jié)論

（1）導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子包圍的中心區(qū)域流體只在該區(qū)域旋轉(zhuǎn)不能排出，進(jìn)出口流量只有0.57kg/s；（2）永磁體溫度最高，達(dá)120.2℃；（3）結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，進(jìn)出口流速增大，流量增加，達(dá)到2.37kg/s，流體能有效進(jìn)出，帶走更多熱量；（4）永磁體溫度降至74℃，降低了46.2℃，達(dá)到了降溫目的。

【參考文獻(xiàn)】

[1]牛曉博.基于ANSYS的永磁調(diào)速器磁場研究[D].西安：長安大學(xué)機(jī)械電子工程，2012：20-32.

[2]李偉力，陳婷婷，曲鳳波，等.高壓永磁同步電動機(jī)實心轉(zhuǎn)子三維溫度場分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2011，31（18）：55-60.

[3]路韜，莫云輝.一種無接觸的傳動和調(diào)速技術(shù)-永磁調(diào)速[J].機(jī)械制造，2012，580（50）：72-74.

[4]S J Salon， L Tukenmez-Ergence， and P F Wendling.3D Transient Magnetic Modeling of Braking Torque in a Rotating Conducing Disk[C]// IEEE Int. Electric Machine and Drives Conf.， Brasov， Romania， 2000.

[責(zé)任編輯：湯靜]