永磁调速节能在电机负载上的应用

永磁调速节能在电机负载上的应用

永速器是根据永磁电阻器开发的。从1995年开始,一种利用导体圆盘与永磁体磁钢圆盘的相对运动产生涡流,利用感应磁场与永磁场相互作用,以连接电机和负载的高效率永磁磁力耦合器处于开发和研究中。此后,一种气隙大小固定的永磁磁力耦合器得到了广泛的应用。在应用中,永磁磁力耦合器表现了良好的隔振效果,能够适应很难达到或保持对中性的场合,例如泵、空气压缩机等。近几年,永磁磁力耦合器的开发工作着重于一种可调速类型(即永磁调速器)的研究。本文参考永磁磁力耦合器及永磁电机的相关理论,设计了小功率永磁调速器,建立了涡流数学模型。利用ANSYS软件对该装置进行三维建模、动态磁场仿真,对形成的磁路进行研究。分析涡流的形成机理、电磁的转换机理、磁路的耦合原理,并对磁路相关参数进行了优化计算。1帮助电机旋转,实现稳定的双轨调节装置永磁调速器机械结构示意图如图1所示。永磁调速器主要由3个部分组成:一是和电机连接的主动转子;二是与负载连接的从动转子;三是气隙调节装置,包括手动控制和信号电控两种。主动转子由钢盘和铜环两部分组成,固定在输入轴上;从动转子由铝盘、钢盘、钕铁硼永磁体3部分组成,浮动安装在销轴上。主、从动转子之间隔开一定的空气间隙。当电机带动主动转子转动时,拉动从动转子一同转动,最终带动负载一同转动。气隙调节装置安装在负载端,通过带动内筒使从动转子在转动的同时水平移动,可选择常用的丝杠调节装置。永磁调速器是恒转矩传递设备,PMD的输入转矩(电机输出)始终等于PMD的输出转矩。因此,在保持电机转速不变的情况下,根据负载的实际需要,调节气隙的大小,使PMD输出合适的转矩,避免出现“大马拉小车”的耗能现象。同时,PMD的输入转矩也实时地得到了调节,达到了电机节能的目的。永磁调速器的主、从动转子可以自由的独立旋转。当电机带动主动转子旋转时,铜环通过切割从动转子中永磁体的磁力线,在铜环表面上产生涡流,进而形成了感应磁场。感应磁场对永磁体产生耦合力,即感应磁场对相邻永磁体的吸力与斥力。这两种力在旋转方向相叠加,从而带动从动转子与主动转子同方向旋转,最终带动负载做旋转运动。气隙调节装置可以进行手动和电动调节,其与步进电机相连时可以实现闭环的自动控制,控制步进电机转速和转向,驱动手轮调节气隙,实现PMD输出速度的控制。永磁调速器是根据滑差原理工作,为了产生转矩,必须有滑差,因此能量的损失又叫滑差损失,滑差损失是以发热的方式消耗,同时还有附加的散热和摩擦损失,产生的热量由空气对流自然冷却。大功率设备可以考虑水冷散热设计。2偏微分方程的基本概念电磁场问题用Maxwell方程组来描述和求解,其微分形式为∇×Η=J+∂D∂t(1)×H=J+∂D∂t(1)∇×E=-∂B∂t(2)×E=−∂B∂t(2)∇·B=0(3)∇·D=ρ(4)式中:H为磁场强度,A/m;J为传导电流密度,A/m2;E为电场强度,V/m;B为磁通密度,T;D为电通密度,C/m2;ρ为电荷体密度,C/m3。永磁调速器中不存在静止的电荷,Maxwell方程组中式(1)和式(4)可简化为∇×H=J∇·D=0实际求解电磁场时必须附加成分方程D=εE=εrε0EJ=σEB=μH=μrμ0H式中:ε为介电常数,F/m2;εr为相对介电常数;ε0为真空介电常数;σ为电导率,S/m;μ为磁导率,H/m;μr为相对磁导率;μ0为真空磁导率。在无自由电荷的永磁调速器中,矢量B,E,J所满足的偏微分方程如下:{[CX3]∇[CX]2B=με∂2B∂t2+μσ∂B∂t[CX3]∇[CX]2E=με∂2E∂t2+μσ∂E∂t[CX3]∇[CX]2J=με∂2J∂t2+μσ∂J∂t在导电介质内,方程右端第1项可忽略,变为{[CX3]∇[CX]2B=μσ∂B∂t[CX3]∇[CX]2E=μσ∂E∂t[CX3]∇[CX]2J=μσ∂J∂t这些偏微分方程在形式上属于扩散方程,是研究导电介质中涡流问题和集肤效应的基础,常被称为涡流方程或集肤效应方程。方程的求解对象为电场强度E、磁通量B等物理量,在求解过程中常引入矢量磁位A、标量电位ϕB=∇×A在交变激励磁场中计算涡流问题,利用矢量磁位的传导方程:∇2A=μσ∂A∂t由于导体铜盘无源电流,只有相对速度效应,由运动产生的涡流密度J为J=Jc+Je按照洛仑兹约定,标量电位为ϕ=-μσ∇·A当考虑导体的速度效应时,涡流密度为Je=σ[-∇ϕ+v×(∇×A)]式中:v为导体运动速度,m/s。3计算与分析本文采用有限元分析软件ANSYS对永磁调速器(PMD)的磁路结构进行三维动态磁场仿真,仿真时设定PMD安装在一台三相异步电动机上。3.1永磁调速器的选择根据所分析问题的特点,做如下假设:1)为使磁通形成回路,减小漏磁,永磁体都应固定在磁导率较高的软磁材料上;2)不考虑端部漏磁,认为转动轴是不导磁的;3)忽略铜盘和永磁体的弹性形变,运行时气隙磁场沿轴向没有变化;4)忽略温度对材料性能的影响。为了更加接近设备运行实际情况,永磁材料选用第3代钕铁硼永磁体,铜材质选用黄铜H62规格,钢盘选用45号钢。永磁调速器仿真参数如下:永磁体材料为钕铁硼,磁极数目18,气隙宽度3mm,铜环轴向长度10mm,铜环内半径90mm,铜环外半径140mm,钢盘轴向长度10mm,钢盘内半径90mm,钢盘外半径140mm,电机转速1455r/min,铜的电阻率7.1E-08Ω·m,永磁体矫顽力875000A/m,永磁体的相对磁导率1.05,永磁体尺寸(长、宽、高)30mm×30mm×20mm,空气的相对磁导率1。仿真模型如图2所示。3.2永磁调速器及原理铜环(面对磁体侧)表面产生的涡流见图3。由图3可知,涡流分布不是均匀的,而是在铜环中形成了18个回路,相邻回路电流方向截然相反,所以涡流生成的磁场在铜环上正好等效生成18个N,S极交替排列的磁极。涡流主要分布在铜环表面的一薄层中,特别是靠近内径和外径的地方,集肤效应明显。PMD基本主磁路为:从N极出发,沿气隙,铜盘,再经过气隙到达相邻永磁体的S极。永磁调速器的磁通流向见图4,由图4可知,涡流产生的感应磁场与永磁场通过钢盘的导磁作用,构成闭合磁路。磁通形成了18个回路,相邻回路之间磁通方向相反。3.3感应磁场的作用永磁调速器的磁路耦合原理图如图5所示。由图5可知,铜环通过切割永磁体的磁感线,在其表面产生涡流,形成感应磁场。根据同性相斥、异性相吸的原理,相邻感应磁场对永磁体的作用力在旋转方向上是叠加的,带动从动转子同步转动,有助于获得更高转矩。同时,轴向作用力可以相互减轻甚至抵消,对支撑轴承的寿命有利。3.4转换率在气隙为3mm时,利用场耦合有限元方法计算永磁调速器的输出转矩。可得,PMD输出转矩T=(0.89243E+02)N·m。4永磁体厚度对扭矩关系的分析气隙与转矩关系的拟合曲线如图6a所示。由图6a可知,随着气隙宽度的增大,转矩迅速减小;气隙宽度为2.5mm时,传递转矩最大;气隙宽度为12mm时,传递转矩最小,气隙有效的调节范围是2.5~12mm;这是因为感应磁场与永磁体为磁源,气隙和永磁体中的磁阻要比钢盘中大得多,所以磁势主要消耗在气隙和永磁体的磁阻中,气隙增大消耗在气隙磁阻中的磁通密度增大,导致气隙中的磁通密度减小,导致转矩下降。铜环厚度与转矩关系的拟合曲线如图6b所示。由图6b可知,随着铜环厚度的增大,传递的转矩逐渐增大到一个峰值,随后开始减少。所以铜环的厚度范围最好是11~13mm。这是因为随着铜环厚度的增大,铜环切割磁感线产生的涡流增加,进而导致感应磁场变强,传递的转矩变大。但是当铜环厚度增大到一定程度,涡流增加有限,趋于饱和。同时,铜环厚度的增加,使得铜的电阻增加,因而热损耗逐渐增大,致使大部分涡流都转化为热量,因此传递转矩减小。永磁体厚度与转矩关系的拟合曲线如图6c所示。可知,随着永磁体厚度的增大,转矩开始增加很快,而后增加很慢,趋于饱和。这是因为,当永磁体厚度增加时,磁势增大,导致传递转矩增加得很快,同时磁阻与漏磁也随之增大。当厚度增加到一定程度时,增加的磁势全部被磁阻和漏磁消耗,故转矩最后增加得很慢甚至不增加。所以,永磁体的厚度应该选定在20~30mm之间。本结构中磁极数最多为18,永磁耦合器的常用磁极数范围是8~30,所以最终确定磁极数计算范围是8~18。永磁体厚度与转矩关系的拟合曲线如图6d所示。由图6d可知,随着磁极数的增加,转矩逐渐增大,在磁极数为