电磁阻尼器气隙磁通密度对力矩特性的影响

2010-11-22王燕芳

微特电机 2010年7期

关键词：磁钢磁密气隙

王燕芳, 罗玲

(1.郑州航空工业管理学院, 河南郑州 450015;2.西北工业大学, 陕西西安 710072)

0 引言

本文研究的电磁阻尼器依据空心杯电机结构设计,主要用于飞船及空间站的交会对接机构中,阻尼器与压缩运动装置组成电磁对接减振系统, 在两个航天器进行空间对接的过程中, 吸收对接机构之间接触撞击产生的巨大能量, 使交会对接过程平稳[1 -2] 。

电磁阻尼器的阻尼力矩和转子转速之间的关系称为力矩特性。阻尼力矩与转子转速的比值为力矩特性斜率如下:

力矩特性是电磁阻尼器最重要的外特性, 其特性的好坏直接影响着阻尼器对能量的吸收和耗散。当电磁阻尼器力矩特性为线性时,研究阻尼力矩与某参数的关系可以转化为研究力矩特性斜率与该参数的关系。

1 结构与特点

电磁阻尼器转子为一特殊结构的金属体电枢杯,定子采用内磁式分立结构, 由外定子和内定子组成, 稀土永磁体位于内定子上,转子杯位于稀土永磁体和外定子之间。机壳、内定子、永磁体和工作气隙构成了阻尼器的闭合磁路,在工作气隙中建立一个工作磁场。具体结构如图1所示。

图1 电磁阻尼器结构

原动机拖动转子旋转,金属转子杯切割定子磁场, 从而在转子杯中感应出涡电流,涡电流与定子磁场相互作用产生一个与转子杯转动方向相反的力矩, 这个力矩具有阻碍电枢转子运动的作用,称其为阻尼转矩[3]。该电磁阻尼器的工作原理相当于一台内部短路的杯形电枢发电机。

该电磁阻尼器具备了空心杯电机体积小、重量轻、低惯量、驱动性好等优点,又因其结构的特殊性,还具有以下特点[4]:

(1)比起绕线式转子杯结构, 金属转子杯工艺难度较小,电枢结构强度较好;

(2)内磁式结构可以使转子直径较大,提高单位长度出力;

(3)转子杯为金属体,其结构简单,不需要外部电源和控制,使用比较安全。

2 三维瞬态运动仿真模型的简化

由于电磁阻尼器转子结构为一特殊的金属杯,其端部除了两端的外定子机壳, 还包含了转子杯的杯底部分。软件的二维仿真无法实现不同轴向变化的动态求解。在此, 特采用MagNet有限元电磁场分析软件进行电磁阻尼器的三维仿真。

为准确仿真电磁阻尼器力矩特性,需建立与样机完全一致的样机整体模型,如图1所示。

三维运动仿真要求硬件配置高、耗时长, 为降低仿真硬件的配置和加快三维运动求解的速度, 在此去掉样机两侧端部的外定子机壳,建立样机简化三维仿真模型,如图2所示。

图2 样机简化模型

模型求解建立三维空间坐标, Z轴位于转轴中心线上,转子杯开口方向设为正方向,过磁钢轴向中点垂直Z轴的横截面设为XOY坐标平面。

过XOY坐标平面作切片,获取电磁阻尼器的横向剖面图, 如图3所示。

图3 电磁阻尼器的横向剖面图

在转子杯与内定子之间的气隙内,沿轴向采样圆周半径为11.675 mm上的气隙磁通密度波形如图4所示。

图4 轴向气隙磁通密度波形

轴向气隙磁通密度波形显示, 在转子杯切割气隙磁场范围内, 电磁阻尼器端部机壳漏磁对气隙磁通密度几乎无影响。所以, 进行电磁阻尼器三维瞬态运动仿真时, 可忽略电磁阻尼器端部的外定子机壳, 采用三维简化模型求解。

3 模型参数及仿真

本文中电磁阻尼器三维仿真模型的磁钢均为瓦形径向充磁, 极弧系数为0.75, 磁钢长度为48 mm,转子杯长度为49.5 mm,转子杯底厚度为2.5 mm,转子平均直径为24.5 mm, 转子杯厚度为0.8 mm,转子杯与内、外定子间的气隙厚度均为0.35 mm,转子材料为硬铝。

磁钢材料分别选取钕铁硼NNF33M和钐钴材料Sm2Co17、SmCo5三种永磁材料, 磁钢材料性能参数取值如表1所示。

表1 磁钢材料选取值

磁极对数分别为1、2、3对极时,过XOY平面作三维运动仿真模型的横向剖面图, 分别如图5a、图5b、图5c所示。

图5 不同磁极对数下三维仿真模型横向剖面图

三维瞬态运动仿真求解, 得磁极对数1、2、3对极下三种磁钢材料钕铁硼 NNF33M、钐钴材料Sm2Co17、SmCo5对应的电磁阻尼器力矩特性曲线,如图6所示。

图6 不同仿真模型对应求解力矩特性曲线

分析图6中不同磁极对数、不同磁钢材料下的力矩特性曲线可知, 在转速0～5 000 r/min仿真范围内,电磁阻尼器力矩特性曲线近似为线性。

4 气隙磁通密度对力矩特性的影响

4.1 气隙平均磁密对阻尼力矩的影响

做过三维动态仿真模型XOY坐标平面的切片,在切片磁密分布云图状态下, 获取圆周半径为11.675 mm一圆周上的气隙磁通密度波形。以2对极、磁钢材料为Sm2Co17为例, 求取气隙磁通密度波形,如图7所示。

图7 Magnet软件求取的气隙磁密波形

图中左侧数值是由Magnet软件自身将所选气隙圆周等距离分成1 001个点获取的对应气隙磁密值。将该组气隙磁密数据直接导入到Excel软件中,相加取平均得气隙平均磁密:

根据式(2), 求取不同磁极对数在不同磁钢材料下的气隙平均磁密,如表2所示。

表2 气隙平均磁密值

以相同极对数下两种不同磁钢材料的气隙平均磁密比值的平方为参考, 根据式(3), 求取两种磁钢材料下阻尼力矩比值的相对误差εr:

任选某对极下两种磁钢材料对应气隙平均磁密比值的平方为参考值, 求取两种磁钢材料对应阻尼力矩比值的相对误差, 从中选取最小相对误差εrmin与最大相对误差εrmax,如表3所示。

表3 气隙平均磁密比值平方与对应阻尼力矩的相对误差

分析表3中的数据可知, 1对极时,阻尼力矩比值相对于气隙平均磁密比值平方的最大相对误差εrmax=0.488%, 最小相对误差εrmin=0.080%;2 对极时,最大相对误差εrmax=0.290%,最小相对误差εrmin=0.007%;3 对极时, 最大相对误差 εrmax=0.428%,最小相对误差εrmin=0.080%。综合分析可得阻尼力矩与气隙平均磁密的平方近似成正比,磁极对数为2对极时,相对误差较小, 磁极对数为1对极、3对极时, 相对误差较大。

4.2 气隙磁密基波幅值对阻尼力矩的影响

采用Magnet软件的工具AirGapFlux-Calculator对气隙磁密波形进行傅里叶变换(DFT), 获取不同磁极对数下不同磁钢材料对应产生的气隙磁密基波幅值, 如表4所示。

表4 气隙磁密基波幅值

以两种磁钢材料对应气隙磁密基波幅值比的平方为参考值, 求取不同磁极对数下两种磁钢材料对应阻尼力矩比值的相对误差, 给出其中相对误差的最小值εrmin和最大值εrmax,如表5所示。

表5 气隙磁密基波幅值比平方与对应阻尼力矩的相对误差

比较分析表3与表5中的数据, 阻尼力矩比值相对于气隙磁密基波幅值比值平方的相对误差比起阻尼力矩比值相对于气隙平均磁密比值平方的相对误差减小了很多, 磁极对数为2对极、3对极时, 相对误差也都相应减小。所以, 在0～5 000 r/min仿真转速范围内, 当电磁阻尼器磁钢材料变化时,阻尼力矩值与气隙磁密基波幅值的平方基本成正比关系。