基于时步有限元法的永磁调速器机械特性

文/赫胜男

本文建立了永磁调速器的二维电磁模型，应用有限元仿真软件ANSYS Maxwell 建立了盘式永磁调速器的三维电磁模型，在此模型的基础上对永磁调速器的转矩、功率和损耗进行计算，得到了各个参数对永磁调速器输出转矩的影响分布曲线，从而为设计大功率的永磁调速器提供理论依据。

1 永磁调速器的解析模型

基于分离变量法建立单组盘式永磁调速器的电磁解析模型，分析包含相邻磁极的一个周期。

转矩公式为：

式中：V 为从动盘间气隙体积；R1为导体盘的外半径；R2为导体盘的内半径。

2 三维有限元分析

建立模型时做如下假设：

（1）忽略永磁调速器的输入端和输出端的端部漏磁；

（2）忽略温度变化对永磁调速器铜盘和永磁体盘厚度及性能的影响；

（3）忽略永磁调速器铜盘和永磁体盘的弹性形变。

在ANSYS Maxwell 中，设定原动机的转速为1455r/min，导体盘和永磁体相对运动，设定时间步长为2.83e-3s。永磁调速器的结构参数见表1。

表1：永磁调速器的三维有限元模型参数

永磁调速器随着转差率的增加，其输出转矩呈现先上升后下降的趋势，如图1所示，在转差率为0.07 时达到最大，最大为3100Nm，此时的功率为440kW。铜盘损耗与输出功率的关系如图2所示。在转差率0～0.2 范围内，铜盘损耗随着转差率的提高在不断增大，在转差率为0.2 时达到最大，为55kW，这时该损耗占总功率的20.0%。

转矩、转速、功率有关系式：P=T·n/9550。如图3所示，永磁调速器的输出功率随着转差率的增加呈现先上升后下降的趋势，在转差率为0.07 时达到最大，为420kW，此时永磁调速器的铜盘损耗为30.1kW，工作效率为92.9%。

同时，在永磁调速器的额定工作状态s=0.04 时的输出功率为380kW，此时的效率为96.0%。

3 总结

本文介绍了盘式永磁调速器的工作原理，建立了二维解析模型和有限元三维模型，得到了解析模型关系式和转矩表达式。永磁体调速器工作在转差率为0.07 时达到最大，为420kW，此时铜盘损耗为30.1kW，工作效率为92.9%。具有较高的效率。

图1：永磁调速器转差率与转矩的关系

图2：永磁调速器转差率与损耗的关系

图3：永磁调速器转差率与输出功率的关系