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金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 论 文毕 业 设 计 （ 论 文 ）设 计 (论 文 )题 目 ： 筒 式 永 磁 调 速 器 的 温 度 场 仿 真 与分 析学 生 姓 名 ： 潘 宁 指 导 教 师 ： 王 庆 燕二 级 学 院 ： 机 电 工 程 学 院 专 业 ： 电 气 工 程 及 其 自 动 化班 级 ： 12 电 气 1 班 学 号 ： 1204102009提 交 日 期 ： 2016 年 5月 15 日 答 辩 日 期 ： 2016 年 5月 18 日金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 论 文 目 录I目 录摘 要 .IIIAbstract. IV第 一 章 绪 论 .11.1 研 究 课 题 的 背 景 和 意 义 . 11.2 永 磁 调 速 器 的 发 展 现 状 . 11.2.1 国 外 发 展 现 状 .21.2.2 国 内 发 展 现 状 .21.3 本 文 主 要 研 究 内 容 .3第 二 章 永 磁 调 速 器 原 理 .42.1 磁 场 基 本 理 论 .42.2 永 磁 调 速 器 散 热 类 型 分 类 .52.3 筒 式 永 磁 调 速 器 的 工 作 原 理 .52.4 本 章 小 结 .6第 三 章 筒 式 永 磁 调 速 器 的 涡 流 损 耗 仿 真 分 析 .73.1ANSYS 软 件 介 绍 .73.2 涡 流 损 耗 .83.2.1 涡 流 损 耗 定 义 .83.2.2 涡 流 损 耗 框 图 .83.3 筒 式 永 磁 调 速 器 的 涡 流 场 的 建 模 .93.4 涡 流 场 仿 真 结 果 .213.5 本 章 小 结 .23第 四 章 筒 式 永 磁 调 速 器 的 温 度 场 仿 真 分 析 .244.1 导 热 的 相 关 理 论 .244.1.1 导 热 的 基 本 定 律 . 244.1.2 导 热 微 分 方 程 .244.2 筒 式 永 磁 调 速 器 温 度 场 建 模 .264.2.1 温 度 场 分 析 框 图 . 26金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 论 文 目 录II4.2.2 材 料 参 数 的 确 定 . 264.2.3 对 流 散 热 系 数 的 确 定 .274.3 温 度 场 仿 真 结 果 .284.4 本 章 小 结 .29第 五 章 总 结 .30参 考 文 献 . 31附 录 .33致 谢 .40金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 论 文 摘 要III筒 式 永 磁 调 速 器 的 温 度 场 仿 真 与 分 析摘 要永 磁 调 速 是 传 动 史 上 的 一 次 巨 大 的 改 革 ， 它 具 有 结 构 简 单 、 高 效 稳 定 、 节 能降 耗 的 优 点 ， 并 被 很 好 地 应 用 于 现 代 化 工 业 中 。 永 磁 调 速 器 是 以 磁 力 耦 合 技 术为 基 础 ， 通 过 调 节 永 磁 转 子 与 筒 形 导 体 转 子 啮 合 面 积 ， 即 可 改 变 两 者 之 间 传 递的 扭 矩 ， 做 到 平 滑 无 级 调 速 ， 高 效 节 能 。 同 时 ， 其 绿 色 环 保 ， 简 单 可 靠 ， 使 用寿 命 长 等 特 点 十 分 突 出 。本 文 首 先 简 述 研 究 课 题 的 背 景 和 意 义 ， 在 国 内 外 的 发 展 状 况 。 然 后 对 筒 式 永磁 调 速 器 进 行 介 绍 ， 利 用 有 限 元 ANSYS 软 件 ， 建 立 永 磁 调 速 器 的 模 型 。 并 通 过模 型 得 出 磁 场 涡 流 分 布 云 图 和 涡 流 损 耗 分 布 云 图 。 最 终 使 用 ANSYS 软 件 通 过 命令 流 仿 真 出 永 磁 体 和 导 体 环 的 温 度 场 。 通 过 本 文 的 计 算 分 析 ， 揭 示 了 永 磁 调 速器 的 涡 流 密 度 、 涡 流 损 耗 、 永 磁 轭 铁 环 温 度 分 布 与 导 体 环 的 温 度 分 布 ， 在 永 磁调 速 器 以 1000r/min 运 转 时 ， 永 磁 轭 铁 环 和 导 体 环 上 温 度 分 布 均 匀 ， 不 会 出 现局 部 温 度 过 高 情 况 和 消 磁 情 况 。关 键 词 ： 永 磁 ； 调 速 ； 有 限 元 ； ANSYS； 涡 流 损 耗 ； 温 度 场金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 论 文 abstractIVSimulation and analysis of temperature field ofcylinder type permanent magnet speed governorAbstractPermanent magnetic speed regulation is a great reform in the history oftransmission. It has the advantages of simple structure, high efficiency and stability,energy saving and consumption reduction, and is well applied in the modern industry.Permanent magnet speed governor is to magnetic coupling technology as thefoundation, by adjusting the permanent magnetic rotor and the cylinder shapedconductor rotor meshing area can be changed between the torque transmitted toachieve can be repeated, adjustable, can control the output torque and speed toachieve speed regulation and energy saving effect.This paper first briefly introduces the background and significance of theresearch topic, and the development situation at home and abroad. Then the cylindertype permanent magnet speed governor is introduced, and the model of permanentmagnetic speed governor is established by using the finite element ANSYS software.The power of eddy current density and eddy current losses are calculated by themodel. The efficiency of heat conduction and forced convection heat dissipation iscalculated. Finally, the temperature field of permanent magnet and conductor ring isanalyzed by using ANSYS software. Through the calculation analysis, reveals thepermanent magnet speed governor of the eddy current density, eddy current loss,permanent magnetic yoke iron rings and temperature distribution of a conductor looptemperature distribution in permanent magnet speed governor to run at a frequency of50Hz, permanent magnetic yoke iron rings and the conducting ring uniformtemperature distribution, does not appear local temperature is too high and thedegaussing.K ey words: permanent magnet; speed control; finite element; ANSYS; eddycurrent loss; temperature field金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 论 文 第 1 章 绪 论1第 一 章 绪 论1.1 研 究 课 题 的 背 景 和 意 义中 国 能 源 状 况 目 前 的 面 临 的 形 势 非 常 不 乐 观 ， 本 身 资 源 的 局 限 性 和 稀 缺 ， 再加 上 浪 费 严 重 ， 资 源 利 用 效 率 低 ， 很 大 程 度 上 制 约 了 与 经 济 的 协 调 发 展 。目 前 来 看 ， 我 国 的 技 术 水 平 相 比 于 西 方 发 达 国 家 还 是 比 较 落 后 的 ， 再 加 上 本身 粗 糙 的 经 济 增 长 方 式 ， 加 剧 了 资 源 消 耗 ， 使 我 国 的 能 源 状 况 面 临 的 形 势 更 加 严峻 。 我 国 单 位 国 民 生 产 总 值 的 能 耗 是 许 多 发 达 国 家 的 数 倍 ， 这 更 加 说 明 了 我 国 资源 利 用 率 低 下 的 问 题 。近 年 来 ， 我 国 开 始 重 视 产 品 的 研 究 与 创 新 。 而 钢 铁 、 化 工 产 业 高 能 耗 ， 高 资源 消 耗 的 情 况 必 然 成 为 其 重 点 改 造 对 象 。 风 机 、 水 泵 是 最 常 用 设 备 ， 其 耗 能 在 各类 电 机 中 相 对 较 高 。 目 前 在 许 多 地 方 的 风 机 ， 泵 类 负 载 还 是 采 用 机 械 节 流 的 方 式进 行 调 节 ， 这 种 调 节 方 式 很 落 后 ， 设 备 长 期 处 于 低 负 载 运 行 状 态 ， 直 接 影 响 效 率 ，在 经 济 和 节 能 方 面 得 不 偿 失 。因 此 ， 永 磁 调 速 器 作 为 一 种 新 型 的 调 速 控 制 产 品 成 为 取 代 风 机 、 泵 类 负 载 的一 个 很 好 的 选 择 ， 并 且 被 一 些 科 技 工 作 者 重 视 和 研 究 ， 在 传 动 技 术 上 的 应 用 迅 速扩 展 。老 式 磁 力 驱 动 装 置 ， 大 多 是 铁 氧 体 或 铝 镍 钴 永 磁 材 料 所 制 造 ， 造 价 和 维 修 费用 比 较 高 。 而 且 笨 重 、 低 效 ， 容 易 退 磁 。 因 此 ， 永 磁 调 速 在 应 用 上 受 到 了 很 大 限制 。 然 而 高 性 能 永 磁 材 料 钕 铁 硼 的 发 现 ， 永 磁 调 速 器 因 此 得 到 很 大 的 改 善 ， 有 了巨 大 的 发 展 空 间 和 研 究 前 景 。 钕 铁 硼 虽 然 具 有 良 好 的 磁 力 特 性 ， 但 是 它 本 身 的 耐热 性 比 较 差 ， 如 果 永 磁 调 速 器 在 相 对 高 速 的 状 况 下 长 时 间 运 转 ， 可 能 会 出 现 退 磁等 情 况 。 因 此 ， 对 永 磁 调 速 器 的 温 度 场 进 行 仿 真 与 分 析 十 分 有 必 要 ， 确 保 其 能 在合 适 的 温 度 下 长 期 运 转 而 不 造 成 局 部 温 度 过 高 导 致 消 磁 的 状 况 发 生 。1.2 永 磁 调 速 器 的 发 展 现 状永 磁 调 速 是 传 动 史 上 的 一 次 巨 大 的 改 革 ， 它 具 有 结 构 简 单 、 高 效 稳 定 、 节 能降 耗 的 优 点 ， 并 被 很 好 地 应 用 于 现 代 化 工 业 中 。 被 普 遍 应 用 于 工 业 上 的 变 频 器 存在 许 多 缺 点 ， 因 此 推 动 了 永 磁 调 速 器 的 研 发 。 它 不 同 于 变 频 器 ， 其 两 半 联 轴 器 之间 没 有 任 何 机 械 连 接 ， 有 一 块 隔 板 将 之 分 为 两 部 分 ， 使 原 动 机 与 工 作 机 处 于 完 全独 立 的 空 间 中 ， 彻 底 解 决 了 密 封 与 磨 损 的 问 题 。 其 通 过 调 节 永 磁 体 和 软 磁 体 圆 盘之 间 的 气 隙 来 改 变 输 出 转 矩 ， 从 而 实 现 调 速 的 目 的 。 另 外 它 还 具 有 振 动 较 小 、 过载 保 护 、 使 用 寿 命 长 、 环 境 适 应 性 好 等 优 点 。 因 此 ， 其 广 泛 应 用 于 现 代 化 工 业 中 ，并 且 能 对 以 前 变 频 器 难 以 处 理 的 各 种 易 燃 易 腐 蚀 气 体 或 液 体 进 行 稳 定 正 常 的 工金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 论 文 第 1 章 绪 论2作 ， 并 且 被 逐 渐 应 用 于 真 空 、 水 底 等 特 殊 环 境 ， 具 有 广 阔 的 开 发 和 应 用 前 景 ， 是传 动 史 上 的 一 次 巨 大 改 革 。1.2.1 国 外 发 展 现 状永 磁 调 速 装 置 最 早 诞 生 于 上 个 世 纪 九 十 年 代 ， 随 着 其 发 明 利 用 ， 最 早 只 应 用在 美 国 军 事 装 备 上 。 目 前 ， 已 经 开 始 在 各 个 行 业 得 到 广 泛 应 用 。 随 着 高 性 能 永 磁材 料 钕 铁 硼 的 发 现 ， 永 磁 调 速 器 因 此 得 到 很 大 的 改 善 ， 被 越 来 越 多 的 人 接 受 利 用 。近 年 来 ， 永 磁 调 速 技 术 主 要 应 用 于 提 高 设 备 的 性 能 ， 可 靠 性 及 制 造 装 配 的 精 度 上 。永 磁 传 动 技 术 在 效 率 、 稳 定 性 、 节 能 方 面 取 得 了 突 破 性 的 进 展 。德 、 英 、 日 、 美 等 国 是 当 今 国 际 上 永 磁 传 动 泵 发 展 最 快 的 国 家 。 7.5kw 以 下功 率 的 永 磁 传 动 泵 ， 日 本 方 面 遥 遥 领 先 。 特 别 是 其 塑 料 泵 的 工 艺 ， 质 量 为 人 们 所称 道 ， 并 且 已 被 日 本 国 内 化 工 行 业 普 遍 使 用 。 德 国 已 发 展 至 300kw。1.2.2 国 内 发 展 现 状我 国 在 永 磁 调 速 技 术 方 面 的 研 究 比 较 落 后 ， 对 其 研 究 晚 于 大 多 数 发 达 国 家 ，最 初 只 有 几 家 研 究 机 构 开 展 了 针 对 性 的 研 究 。 在 涡 流 计 算 、 传 递 转 矩 的 计 算 等 方面 积 累 了 一 些 经 验 。而 随 着 我 国 工 业 的 发 展 ， 变 频 器 的 能 耗 高 、 经 济 效 益 地 下 等 缺 点 更 加 突 出 的显 示 出 来 ， 永 磁 调 速 器 应 运 而 生 ， 各 方 面 工 业 迫 切 需 要 对 其 调 速 传 动 装 置 进 行 改进 研 究 。 因 此 ， 多 家 公 司 借 鉴 了 西 方 发 达 国 家 研 发 的 盘 式 永 磁 调 速 器 的 构 成 ， 对永 磁 调 速 器 进 行 了 改 进 创 新 。现 如 今 ， 我 国 许 多 家 公 司 都 在 制 造 销 售 永 磁 调 速 器 相 关 产 品 。 意 味 着 永 磁 调速 产 品 正 在 被 人 们 广 泛 接 受 和 认 可 ， 并 且 他 们 在 原 有 永 磁 调 速 器 的 基 础 上 对 其 进行 了 改 进 创 新 ， 研 制 出 了 第 二 代 永 磁 调 速 器 ， 即 啮 合 式 永 磁 调 速 器 ， 最 具 代 表 性的 就 是 南 京 艾 凌 节 能 技 术 有 限 公 司 生 产 的 产 品 。 如 图 1-1 所 示 。图 1-1啮 合 式 永 磁 调 速 器金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 论 文 第 1 章 绪 论31.3 本 文 主 要 研 究 内 容永 磁 调 速 器 的 工 作 原 理 是 由 硼 铁 钕 制 成 的 永 磁 体 和 另 一 端 导 体 转 子 感 应 磁场 相 互 作 用 产 生 转 矩 ， 通 过 调 节 永 磁 体 和 导 体 之 间 的 啮 合 面 积 就 可 以 控 制 传 递 的转 矩 ， 从 而 调 节 负 载 速 度 。 而 传 递 扭 矩 过 程 中 非 常 重 要 的 一 项 就 是 涡 流 产 生 的 磁感 应 磁 场 。 无 法 避 免 的 是 ， 涡 流 会 产 生 涡 流 损 耗 。 而 永 磁 调 速 器 上 采 用 最 多 的 永磁 材 料 为 钕 铁 硼 ， 这 种 材 料 的 无 法 在 高 温 状 况 下 正 常 工 作 ， 会 出 现 消 磁 等 状 况 。因 为 涡 流 损 耗 会 导 致 永 磁 体 的 发 热 升 温 ， 如 果 长 期 在 高 负 载 状 态 下 运 行 ， 会 使 永磁 体 产 生 不 可 逆 的 退 磁 。 因 此 ， 十 分 有 必 要 分 析 磁 场 涡 流 和 涡 流 损 耗 ， 能 够 使 永磁 调 速 器 高 负 载 ， 高 转 速 下 也 能 正 常 工 作 。 本 文 采 用 1 2 对 磁 极 、 双 层 铜 转 子 的筒 式 永 磁 调 速 器 作 为 研 究 对 象 ， 首 先 采 用 ANSYS软 件 仿 真 分 析 出 电 磁 涡 流 密 度 ，再 利 用 仿 真 分 析 出 的 涡 流 损 耗 导 入 ANSYS软 件 进 一 步 分 析 磁 转 子 和 导 体 环 的 温度 场 分 布 情 况 ， 验 证 永 磁 调 速 器 在 1000r/min的 转 速 下 是 否 会 出 现 涡 流 损 耗 过 大 ，局 部 温 度 过 高 等 情 况 发 生 ， 为 永 磁 调 速 器 的 正 常 运 转 提 供 依 据 。金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 论 文 第 2 章 永 磁 调 速 器 原 理4第 二 章 永 磁 调 速 器 原 理2.1 磁 场 基 本 理 论磁 场 是 隐 形 的 ， 它 看 不 见 摸 不 着 ， 也 不 是 由 原 子 、 分 子 组 成 的 ， 但 又 是 客观 存 在 的 。 磁 场 具 有 波 粒 的 辐 射 特 性 。 两 磁 体 不 用 接 触 就 能 发 生 作 用 ， 就 是 因 为磁 场 分 布 在 磁 体 周 围 ， 磁 体 就 是 以 磁 场 作 为 媒 介 来 相 互 作 用 的 。 运 动 电 荷 或 电 场的 变 化 会 产 生 磁 场 ， 由 此 说 明 磁 体 的 磁 性 源 自 电 流 。 物 质 中 只 有 电 子 和 质 子 能 够形 成 电 荷 ， 因 此 带 有 过 剩 电 子 的 点 物 体 即 为 负 电 荷 ， 带 有 过 剩 质 子 的 点 物 体 即 为正 电 荷 。 由 此 说 明 运 动 电 子 或 运 动 质 子 所 产 生 的 磁 场 就 是 运 动 电 荷 产 生 磁 场 的 真正 场 源 。麦 克 斯 韦 将 电 场 和 磁 场 的 所 有 规 律 综 合 起 来 ， 建 立 了 完 整 的 电 磁 场 理 论 体系 。 麦 克 斯 韦 方 程 组 就 是 这 个 电 磁 场 理 论 体 系 的 核 心 。 麦 克 斯 韦 方 程 组 的 四 个 定律 ： 描 述 电 荷 如 何 产 生 电 场 的 高 斯 定 律 ； 论 述 磁 单 极 子 不 存 在 的 高 斯 磁 定 律 ； 描述 变 化 磁 场 如 何 产 生 电 场 的 法 拉 第 感 应 定 律 ； 描 述 电 流 和 变 化 电 场 怎 样 产 生 磁 场的 麦 克 斯 韦 安 培 定 律 。高 斯 定 律 表 明 了 在 闭 合 曲 面 内 的 电 荷 分 布 与 产 生 的 电 场 之 间 的 关 系 是 通 过任 意 闭 合 曲 面 的 电 通 量 等 于 该 闭 合 曲 面 所 包 围 的 所 有 电 荷 量 的 代 数 和 。 积 分 形 式为 ： dvpdsD vs （ 2-1）式 中