同轴式永磁调速装置的电磁场分析硕士论文.pdf

c l a s s i f i e di n d e x t m 9 2 1 d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g t h e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n a l y s i s o f c o a x i a lt y p ep e r m a n e n tm a g n e tc o n t r o l d e v i c e c a n d i d a t e s u p e r v i s o r d u a n x i n l i a n g z h o uf e n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y p o w e rs y s t e ma n d i t sa u t o m a t i o n d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n m a r c h 2 0 1 2 u n i v e r s i t y h a r b i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 同轴式永磁调速装置的电磁场分 析 是本人在导师指导下 在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工 作所取得的成果 据本人所知 论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过 的研究成果 对本文研究工作做出贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式注明 本声明的法律结果将完全由本人承担 作者签名 健私钰嗍 如j 2 年口牛肌 同 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 同轴式永磁调速装置的电磁场分析 系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间在导师指导下完成的硕士学位论文 本论 艾的研究成果归哈尔滨理工大学所 有 本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表 本人完全了解哈尔滨理工大学 关于保存 使用学位论文的规定 同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本 允许论文被查阅和借阅 本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印 缩印或其他复制 手段保存论文 可以公布论文的全部或部分内容 本学位论文属于 保密 口在年解密后适用授权书 不保密由 请在以上相应方框内打 作者签名 钕翔氦日期 函晓年矿争月哕同 导师签名 阀钌 日期 b o b 年汐1 7 1 月p 日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 同轴式永磁调速装置的电磁场分析 摘要 我国 十二五 规划纲要明确提出要大力发展绿色经济 努力建设资源节 约型 环境友好型社会 节能增效就是其中一个重要的举措 目前广泛采用的 永磁耦合器虽然可以实现无接触连接 但是无法根据负载变化调节速度 因此 对于泵这类广泛应用的工业负载 达不到节能增效的作用 本文研究的同轴式永磁耦合调速装置 不仅可以实现动力设备的无接触式 柔性连接 还可以通过改变气隙大小等方式来改变装置的输出扭矩 并实现对 转速的控制 可以达到很好的节能增效的效果 作为一种新型的非接触式柔性 调速装置 它的应用前景非常广阔 首先 本文分析了国内外永磁耦合技术的发展现状以及该技术的未来发展 趋势 通过与其他类型调速装置比较总结出同轴式永磁耦合调速装置的优势特 性 并对同轴式永磁耦合调速装置的结构进行了设计 最后对这个装置的节能 效果进行了分析和计算 其次 建立了异步式永磁调速装置的二维电磁场理论模型 采用a n s o f l 有 限元分析软件对磁场分布 涡流密度等电磁参数进行了仿真计算 确定了空载 和负载不同情况下的电磁场和涡流的分布规律 为该装置的通风散热系统设计 和结构优化提供了理论依据 采用虚位移法计算了装置起动到额定负载时的扭 矩变化过程 并探讨了不同气隙和接触面积对扭矩特性的影响规律 以及对应 情况的定转子损耗变化情况 为装置的稳定性和最大效率优化提供理论指导 研究计算结果表明 采用同轴式结构的永磁调速装置扭矩传递稳定 并可 通过改变气隙和改变接触面积 柔性微调转速和扭矩工作点 适合于负载波动 的工业应用场合 具有较强的工程实际意义 关键词同轴式 永磁调速 电磁场 涡流 扭矩控制 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n a l y s i so fc o a x i a lt y p e p e r m a n e n tm a g n e tc o n t r o ld e v i c e a b s t r a c t t h eg u i d e l i n eo ft h et w e l f t hf i v e y e a rp l a nh a sd e a r l yo f f e r e dt od e v e l o pt h e g r e e ne c o n o m ya n db u i l dac o n s e r v a t i o n m i n d e da n de n v i r o n m e n t f r i e n d l ys o c i e t y e n e r g ys a v i n ga n de f f i c i e n c yi m p r o v e m e n ti so n eo ft h ei m p o r t a n tm e a n s f o rn o w a l t h o u g h t h e m a g n e t i cc o u p l e rw h i c h h a sb e e nw i d e l yu s e dc a na c h i e v et h e n o n c o n t a c tc o n n e c t i o n i tc a n n o ta d j u s tt h es p e e da c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo ft h e l o a d t h e r e f o r e i tc a n n o tb ee f f e c t i v ef o rt h ei n d u s t r i a ll o a ds u c ha st h ep u m pt o a c h i e v et h ee f f e c to fe n e r g ys a v i n ga n de f f i c i e n c yi m p r o v e m e n t t h ec o a x i a lt y p ep e r m a n e n tm a g n e tc o u p l i n gc o n t r o ld e v i c en o to n l yc a n a c h i e v et h ef l e x i b l en o n c o n t a c tc o n n e c t i o no ft h ep o w e re q u i p m e n t b u ta l s oc a n a d j u s tt h eo u t p u tt o r q u eo ft h ed e v i c eb yt h em e a n ss u c ha sc h a n g i n gt h ea i rg a ps i z e o rc o n t r o l l i n gt h es p e e d a l s o t h ed e v i c ec a na c h i e v et h ee f f e c to fe n e r g ys a v i n ga n d e f f i c i e n c yi m p r o v e m e n t a san e wt y p eo fn o n c o n t a c tf l e x i b l ec o n t r o ld e v i c e s t h e m a g n e t i cc o u p l e rh a sab r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t f i r s t l y i nt h i sp a p e r i ta n a l y z e st h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dt h ef u t u r et r e n do ft h e d e v e l o p m e n to ft h ep e r m a n e n tm a g n e tc o u p l i n gd r i v et e c h n o l o g yb o t ha th o m ea n d a b r o a d a f t e rc o m p a r i n gw i t ho t h e rt y p e so fc o n t r o ld e v i c e s i ts u m m a r i z e st h e a d v a n t a g ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o a x i a lt y p ep e r m a n e n tm a g n e tc o u p l i n gc o n t r o l d e v i c ea n dm a k et h es t r u c t u r ed e s i g n a tt h ee n d i ta n a l y z e sa n dc a l c u l a t e st h e e n e r g ys a v i n ge f f e c to ft h ed e v i c e s e c o n d l y t h e 2 d e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt h e o r y m o d e lo fa s y n c h r o n o u s p e r m a n e n tm a g n e tc o n t r o ld e v i c eh a sb e e ne s t a b l i s h e d i tu s e sa n s o f tf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r et od oas i m u l a t i o nc a l c u l a t i o no ne l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r ss u c h a sm a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o na n de d d yc u r r e n td e n s i t y a n do b t a i n st h ed i s t r i b u t i n g r u l e so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n dv o r t e xi nt h ei d l i n ga n dl o a dc o n d i t i o n s i t p r o v i d e st h et h e o r yb a s i sf o rt h ed e s i g na n ds t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nf o rt h ev e n t i l a t i o n i i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 c o o l i n gs y s t e mo ft h ed e v i c e n ei m a g i n a r yd i s p l a c e m e n tm e t h o di sa p p l i e dt o c a l c u l a t et h et o r q u ec h a n g i n gf r o mt h ed e v i c ea c t i v a t i n gt or a t e dl o a d a n di tw a s d i s c u s s e dt h a tt h et o r q u ec h a r a c t e r i s t i e si si n f l u e n c e db yt h ed i f f e r e n ta i rg a pa n d s t r e s s e da r e aa n dt h er o t o rl o s s e sc h a n g ei nt h ec o r r e s p o n d i n gc o n d i t i o n t h i sh a s p r o v i d e d t h et h e o r e t i c a l g u i d a n c e f b rt h e s t a b i l i t y a n dm a x i m u me f f i c i e n c y o p t i m i z a t i o no ft h ed e v i c e r e s u l t so ft h er e s e a r c hs h o wt h a tt h et y p eo fs t r u c t u r ec o a x i a lp e r m a n e n t m a g n e tc o n t r o ld e v i c ec a nt r a n s m i tt h et o r q u es t a b i l i t y a n df l e x i b l yf i n e t u n et h e r o t a t i n gs p e e da n dt h et o r q u eo p e r a t i n gp o i n tb yc h a n g i n gt h ea i rg a pa n ds t r e s s e d a r e a i ti ss u i t a b l ef o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o no c c a s i o n so ft h ef l u c t u a t i o no fl o a d a n d h a ss t r o n ge n g i n e e r i n gp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d sc o a x i a lt y p e p e r m a n e n t m a g n e ts p e e da d j u s t e d d yc u r r e n t e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d t o r q u ec o n t r 0 1 i i i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要 i a b s t r a c t i i 第1 章绪论 1 1 1 研究背景和意义 1 1 2 研究状况及趋势 2 1 2 1 国外研究现状 2 1 2 2 国内研究现状 2 1 2 3 发展趋势 3 1 3 研究的主要内容 4 第2 章同轴式永磁调速装置原理设计及节能分析 5 2 1 同轴式永磁调速装置的工作原理 5 2 2 永磁耦合调速装置的优势特性 5 2 2 1 永磁磁力耦合器的分类 5 2 2 2 永磁调速装置与变频调速器的比较 5 2 2 3 永磁调速装置的优势 6 2 3 同轴式永磁调速装置结构设计及分析 7 2 3 1 装置结构的设计 7 2 3 2 装置关键问题的分析 9 2 4 永磁耦合调速装置的节能效果与应用分析 1 0 2 4 1 离心负载的相似定律 1 0 2 4 2 成本计算 1 1 2 5 本章小结 1 2 第3 章同轴式异步永磁调速装置的有限元分析 1 3 3 1 电磁场理论分析的原理与方法 1 3 3 2 二维边界条件 1 4 3 3 异步永磁调速装置的电磁场数值计算 1 4 3 3 1 异步永磁调速装置模型的建立 1 4 3 3 2 异步永磁装置的磁力线分布 1 7 3 3 3 异步永磁调速装置的磁通密度分析 1 9 3 3 4 异步永磁装置的涡流密度分析 2 0 3 4 本章小结 2 2 第4 章同轴式异步永磁装置的扭矩及铜损耗分析 2 3 4 1 异步永磁装置的扭矩分析 2 3 4 1 1 扭矩的产生原理分析 2 3 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 4 1 2 异步永磁装置的扭矩分析 2 4 4 2 装置气隙变化对扭矩的影响 2 5 4 3 该装置受力面积的变化对扭矩大小的影响 2 9 4 3 1 同轴式异步永磁耦合装置轴向模型的建立 2 9 4 3 2 该装置模型的定位推力波动观察 3 0 4 4 同轴式异步永磁耦合装置的铜耗问题 3 0 4 4 1 同轴式异步永磁耦合装置铜耗计算模型 3 0 4 4 2 气隙变化对铜耗的影响 3 1 4 4 3 受力面积的变化对铜耗的影响 3 2 4 5 本章小结 3 5 结 沦 3 6 参考文献 3 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文 4 1 致谢 4 2 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 众所周知 泵 风机 鼓风机这类负载最大的特点就是正常运行情况下不 一定满负荷运行 随着科学技术的进步 如何提高这类负载设备的能源利用效 率已经越来越引起人们的重视 虽然它们工作所产生负荷是随着时间而改变的 但是驱动运行的大多数电机都是以接近恒速来运行的 而流量的控制是利用关 闭部分阀门和阻尼器或者允许一些流量通过旁路循环达到的 这些方法虽然行 之有效 但从整个系统的能耗来看是很低效的 目前国际上公认的装置节能的 最佳方式是调速 1 如果通过改变速度的方式来控制流量的大小 那么会大大节 约能量 譬如永磁调速驱动器技术 它可以通过气隙的调节来实现流量或压力 的连续控制 从而取代原系统装置中控制流量或压力的阀门 保证在电机转速 不变的情况下来调节风机或水泵的转速 如今在石油化工 船舶 航空航天 钢铁工业等行业中 因为节能的需要 在生产过程中应用了大量的变频调速装置 变频调速装置主要是分为中高压变 频调速和低压变频调速 但是无论采用哪种变频器都需要采用大规模集成电路 技术 微机控制技术 电力电子技术 因而所带来的缺点是很明显的 例如系 统过于复杂 可维护性差 容易受到外界干扰等等 特别是在供电的环境中 如果出现干扰会出现偶发故障 这样会严重影响生产的稳定性并且导致设备使 用寿命的降低 另外有的设备还需要像无尘 恒温这些比较苛刻的安装条件 为装置的顺利运行设置了障碍卜1 本文研究的同轴式永磁耦合调速装置通过改变主动和从动导筒的间隙和两 个导筒的轴向接触面积进行速度的调节 这种控制方式能够克服上述变频调速 装置的缺点 除此以外 同轴式永磁耦合调速装置作为耦合传动联轴器的一种 它克服了传统的联轴器传动结构的一些缺陷 例如它们需要主动部件和从动部 件之间的相互接触 因此不可避免的产生磨损 振动 这就需要经常进行润滑 维护 并且装置运行的精度也会受到一些影响 像一些有特殊用途的传动机构 它们的结构形式还会更加复杂 这样势必会对系统动态性能带来更多影响p 1 同轴式永磁耦合调速装置可以克服上述缺点 因为它可以实现非接触的扭矩传 递 通过主动轴与从动轴之间安装的永磁体与铜导体的相互作用来产生磁场力 带动永磁导筒随铜体导筒转动 进而实现转矩从电机端到负载端的无接触传递 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 2 研究状况及趋势 1 2 1 国外研究现状 早在二十世纪四十年代初 英国人c h a r l e s 和g e o f f r e yh w w a r d 首次提出了 应用磁力耦合器传动的磁力驱动泵 它为解决具有危险性介质化工泵的泄漏问 题提供了一个新的思路 然而 在随后的三十多年里 永磁传动技术发展十分 缓慢 究其原因主要是找不到合适的磁性材料 1 9 8 3 年 这一高性能钕铁硼 n d f e b 永磁材料研制成功 它的出现为永磁磁力传动技术进一步深入发展 提供了适合的材料 像日本l w a k i 公司和德国k l a u su n i o n 公司等厂家是国外生 产应用永磁磁力传动技术的主要厂家p 其中作为永磁传动泵研发制造的先驱 公司 英国h o w a r d 机械发展有限公司 h m d 的产品代表了永磁传动的发展 高度 1 9 9 9 年美国m a g n e td r i v e 公司在永磁传动技术的研究领域有了重大突破 它实现了对风机 水泵等旋转型负载进行调速的功能 这样不仅提高了永磁传 动装置的传动效率 而且使得电机系统可靠性得到大大的提升 这样一来降低 了系统的运行费用 它的出现为永磁传动技术开辟了更为广泛的应用领域 目 前为止 该技术已经在美国众多的企业 军方 应用在美国海军尼米兹和斯坦 尼斯号航空母舰上面 得到广泛的应用卜1 通过查阅相关文献 了解到国外有很多科学家对永磁磁力耦合技术的研究 做了大量的工作 其中 y b y i l d i r 为了找出磁力耦合器的磁场力之间的耦合关 系 采用建立三维空间的拉普拉斯方程来解决其中的边值问题 p a nz h e n g 等 设计人员制作出了一种用于输送血液的磁力螺杆泵 并对磁力耦合器内三种磁 路的力和力矩分别进行了计算 进而提出了关于气隙和转差角与磁场力和力矩 关系的理论 对磁力耦合装置本体的研究而言 r m h o r n r e i c h 和s s h t r i k m a n 对同步转矩的磁力耦合器的结构设计进行了优化卜 c f e r r e i r a 和j v a i d y a 两位 科学家利用二维和三维有限元法分析永磁耦合输出的转矩卜 w w u h c l o v a t t 和j b d u n l o p 用三维有限元模型对磁力耦合装置进行分析和设计 找到了如何 使得磁力耦合器选用的磁性材料体积最小的方法 y d y a o 等利用二维有限元 模型分析总结出磁极数 磁性齿轮材料与磁力耦合转矩的关系卜 1 1 2 2 国内研究现状 在国内 永磁耦合传动技术的研究起步相对欧美国家晚一些 其中一个主 要原因就是一次性的投入成本太高 另外当时磁力耦合传动技术可靠性不够 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 这也很自然使得企业的经营者对其都敬而远之p 0 1 我国关于永磁磁力耦合传动技术的研究和应用开始于上世纪八十年代初 期 甘肃省科学院磁性器件研究所是国内对磁力耦合传动技术研究的先驱单位 p 1 进入九十年代 我国的磁力耦合传动技术发展还是很快的 自1 9 9 5 年以来 一种利用导体圆盘与永磁体圆盘之间相对运动所产生的涡流传递扭矩的永磁磁 力耦合装置进入了开发阶段 该涡流通过产生感应磁场与永磁场相互作用产生 此后 一种将气隙的大小固定的永磁磁力耦合器装置得到广泛的应用卜 近 几年 我国永磁磁力耦合技术将重点放在了调速型永磁耦合装置的研究上m 一 如图1 1 所示 这种永磁耦合装置可以在不改变电机转速的前提下调整负载的转 速 1 2 3 发展趋势 图卜1 永磁耦合装置 f i g 1 1p e r m a n e n tm a g n e tc o u p l e dd e v i c e 对于永磁磁力耦合技术本身 目6 订主要有如下几个焦点问题需要研究 最 重要的两个就是磁力输出转矩的计算和永磁材料如何选择的问题 像磁力矩 涡流 轴向力的设计计算可以通过有限元软件分析来实现卜 这里涉及的涡流 问题与永磁电机是相仿的 例如二者的结构 产生涡流原理的处理方法就比较 相似 1 随着a n s o f l a n s y s 等通用有限元分析软件功能的进一步完善 使得 处理装置稳态 瞬态还有非线性 运动媒质等问题都更加从容 现在关于涡流 计算和传递扭矩的计算方的论文占了很大比例 这也为该方向问题的解决积累 了不少经验 4 卜4 7 1 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 3 研究的主要内容 随着磁力传动技术的不断发展 磁力耦合装置的结构也在不断变化 但是 大致都是由三种普通结构衍变而来的 同心轴式结构 平行轴式结构以及端面 式结构 目前国内外研究机构和学者主要针对端面式永磁磁力调速装置讨论比 较多 这是因为端面式永磁调速装置的气隙容易改变 因此更方便分析力矩和 涡流损耗随着气隙变化的线性关系 本文的研究内容就是针对同轴式这一结构的特殊属性 设计了一种可以改 变气隙的永磁磁力调速装置 并且利用电磁场的仿真软件对其一些参数进行计 算和分析 具体的研究内容如下 1 设计一种新型同轴式永磁调速装置 该装置既能够沿轴向运动改变铜导 体与永磁体的受力面积又可以沿径向运动改变两筒形转子的气隙 并计算和分 析了其节能效果 2 建立该装置的二维电磁场理论模型 并采用a n s o f t 有限元分析软件对磁 场密度 涡流密度等电磁参数进行仿真计算 并对场图和波形图进行分析 3 利用虚位移法计算了装置起动到额定负载时的扭矩变化过程 并分析气 隙和受力面积的改变对扭矩特性的影响规律 以及对应情况的铜导体损耗规律 d 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章同轴式永磁调速装置原理设计及节能分析 2 1 同轴式永磁调速装置的工作原理 磁力传输的工作原理是 筒形导体转子与筒形永磁转子通过相对运动产生 交变磁场 交变磁场通过气隙在铜导体上形成涡流 而涡流产生的感应磁场与 原来永磁体自身产生磁场相互作用 从而带动筒形永磁转予沿着与筒形铜导体 转子相同的方向旋转 最后将电机输入轴的扭矩传递到负载输出轴上 而速度控制的原理是通过调节负载扭矩来实现对负载输出速度的控制 具 体来说有两方面组成 其一是改变永磁调速装置两个转子的间隙大小 从电机 输出到永磁调速装置的扭矩应该与永磁调速装置输出到负载的扭矩是等同的 所以我们可以根据负载输出扭矩实际情况的不同 调整电机的输出扭矩 即永 磁调速装置输入端的扭矩 与扭矩不同的是 永磁调速装置的两端的速度是不 等的 这是因为永磁调速装置的两个套筒并不是完全封闭的 他们之间存在空 气间隙 从而导致输出速度总是要比输入速度小 即有滑差的存在 其二是通 过两个转子的轴向相对运动改变两转子内永磁体和铜导体的接触面积 进而实 现对输出扭矩的调节 2 2 永磁耦合调速装置的优势特性 2 2 1 永磁磁力耦合器的分类 作为联轴器一个重要发展结构 永磁磁力耦合器近十年来的快速发展使其 也产生不同的分类形式 从结构角度来看 永磁磁力耦合器主要以分成三类 同心轴式 平行轴式以及端面式 按照耦合原理不同将其归纳为四类 涡流式 永磁联轴器 同步式永磁联轴器 磁滞式永磁联轴器以及磁阻式永磁联轴器 按照传递运动形式的不同还可以分为 转动式永磁联轴器 直线运动式永磁联 轴器及复合运动式永磁联轴器 本文研究的装置就是属于同轴式涡流式复合运 动的永磁磁力耦合器 2 2 2 永磁调速装置与变频调速器的比较 和永磁调速装置一样 变频调速器也是一种利用磁场相互作用传递扭矩的 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 磁性联轴器 其外层同样是铜转子 工作原理与永磁调速装置相同 但是与永 磁调速装置也有不同之处 变频调速器使用的是软磁性材料 工作时需通电流 将软磁材料进行磁化 从而产生磁场 永磁磁力调速装置与之相比一 1 永磁磁力调速装置的稳定性和可靠性比变频调速器高 尤其是功率大于 5 0 k w 的工况下代替优势明显 2 永磁磁力调速装置在恶劣的工作环境中的适应力强而且有免维护性能 这点是变频调速器所不具备的 3 与变频调速器相比 永磁磁力调速装置可以抵消电机谐波的干扰 提高 了电机的工作效率 4 电压降低时可能会导致变频调速器无法工作 但永磁磁力调速装置受电 压降低的影响很小甚至是没有 5 当低转速运行时 变频调速器虽然降低电机的转速 但是同时降低了散 热风扇的功率 这样会造成电机过热 而永磁磁力调速装置不会出现此问题 6 变频调速器因为谐波干扰问题 需要交流电机 造价较高 永磁磁力调 速装置无此问题 7 与变频调速器相比 永磁调速装置能消除电机与负载之间的振动传递 8 与变频调速器相比 永磁调速装置维护和保养费用较低 9 与变频调速器相比 永磁调速装置可以延长传动系统各主要部件寿命 2 2 3 永磁调速装置的优势 通过上文永磁调速装置与变频调速装置的比较 我们可以发现永磁调速装 7 置有许多自身独有优势 由于永磁调速装置的扭矩传输跨越一个空隙 而不是 轴与轴的直接连接 它们可以单独运行从而延长设备使用寿命 减少维修费用 并增加电机驱动系统的可靠性 这一特性应用到电机驱动系统其他组件上也是 很有希望的 所以将该技术应用到所有旋转设备上是很有吸引力的 下面具体 总结一下永磁调速装置的优势 1 隔振 永磁器件没有提供传输从电机到负载的振动机械路径 因此它有 效地衰减了振动 设备振动的减少延长了轴承的寿命并且降低了维护成本和停 机时间成本 2 对冲击负荷的忍耐 某些类型的负载受到突然和急剧变化的扭矩要求 对于直接耦合设备 冲击载荷可以增加轴承的磨损 损坏轴和电机支架 或导 致驱动器自锁和潜在的过热 而对于磁力耦合器来说 可以在不影响驱动永磁 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 设备正常工作的情况下 容纳在输入端和输出端之间因为相对转动而临时产生 的冲击负荷 3 消除未对准的影响 由于没有机械连接 永久磁铁装置可以执行相当大 的平行偏移和角位移 消除机械连接可以便于装置热量更好的散发 从而更好 的适应系统的波动和管道的应变 从而大大提高设备的可靠性 4 缓冲启动 所有永磁设备提供缓冲启动 由于输入端和输出端之间相对 转动 永磁调速器可以在电机全速连续运行中形成一个负载 从而使自己从静 止到全速 这样对较小电机提供高启动转矩负载是有利的 此外 空载或缓冲 启动 停止可以使电机和负载减少疲劳应力 降低启动时的侵入电流 防止电机 绕组过热 5 电能质量 因为永磁设备是不带电的 所以它不会因为电压骤降 电能 波动 雷击而造成设备的关机 6 谐波 变频驱动装置会因为从该设备配电系统引入电流的过程中产生一 些不同等级的谐波电流 如 电流基本以5 0 6 0 h z 的频率震荡 而永磁a s d 不会产生电子谐波畸变 也不会产生影响电力分配系统和破坏电子设备的电压 瞬变 7 冷却需求 永磁设备冷却方式主要是靠与周围空气对流 即使暴露在环 境温度较高环境中也无大碍 除非对于更高马力的永磁电机调速系统 需要连 续的冷却供应来散发转盘运行过程中产生的热量 所以没有必要为永久磁铁装 置来控制气候环境 8 电磁干扰 e m i 对于一个组装驱动装置 电磁干扰通常不是一个主要 因素 并且相对于电动机来说不容易发现 然而 对于非组装的装置来说 个 别的磁铁和暴露的磁铁转子需要严格的安全防范措施和处理规程 2 3 同轴式永磁调速装置结构设计及分析 2 3 1 装置结构的设计 作为同轴式永磁调速装置之所以不能够像端面式结构那样在工程中广泛应 用 究其原因就是因为同轴式结构没有办法像端面式结构可以实现通过间隙变 化进行扭矩的调节 因此本装置为了实现这一功能对其结构进行了设计 利用 u g 机械工程软件画出的同轴式永磁调速装置外部结构三维图如图2 1 所示 哈尔滨埋工大学工学硕士学位论文 舢径向视图 b 轴向视图 图2 1 同轴式永磁调速装置外部结构图 f i g 2 1e x t e r n a ls t r u c t u r ef i g u r eo f c o a x i a lt y p e p e r m a n e n tm a g n e ic o n t r o ld e v i c e 图2 1 为同轴式筒状永磁调速装置的主要结构 包括一个筒状导体转子和 一个筒状永磁转了 圈2 2 是同轴式永磁谢速装置的内部结构 其中篱状导体 转子安装在电机驱动轴1 它意轭铁2 和导体3 组成 导体材料是铜 安装 在导体座9 上 筒状永磁转了安装在负载轴4 上 它是出筒状转了体5 和永磁 体6 组成 筒状导体转子与永磁导体转子通过空气气隙i 2 相连 围绕各自轴线 旋转 导体转予置于永磁转子内 导体转子用螺衿一i u j 驱动轴相联接同定在一j 鼹祷 孑伶转亍直亍水馓年专亍咐 寸侔祷亍用嫌佯驰砌制硼联按 百i 疋仕一 起 而永磁转子则是通过键1 1 与负载轴联接 以便于永磁转子更好的带动负载 轴转动 在驱动轴的内部有曲部分连杆 厄 一部分连杆8 b 与滑块7 相连接 滑块固定在预设的轨道上运动 而滑块与锕导体座相连 两部分连杆通过一个 滑座1 3 连接 运动的时候 借鉴雨伞打开的原理 根据负载需要推动前一部分 8 a 连杆沿直线运动 通过滑座使得后一部分连杆连接滑块沿着既定轨道运动 哈尔滨理工大学工学硕二e 学位论文 带动铜导体的运动 进而实现铜导体与永磁体之间的间隙变化 1 一驱动轴2 一轭铁3 一铜导体4 一负载轴5 一筒状转子体6 一永磁体7 一滑块8 一连杆 9 一导体座1 0 一螺栓1 1 一联接永磁转子与负载轴的键1 2 一气隙1 3 一滑座 图2 2 同轴式永磁调速装置内部结构图 f i g 2 2t h ei n t e r n a ls t r u c t u r ef i g u r eo fc o a x i a lt y p ep e r m a n e n tm a g n e tc o n t r o ld e v i c e 2 3 2 装置关键问题的分析 从图2 1 装置外部图不难看出 该装置的永磁体磁极数和铜导体数分别是 1 4 和2 4 这是因为当磁极数与槽数这两个数值的最小公倍数越大的时候 齿槽 扭矩就会越小 也就是输出扭矩波动的幅值越小卜 本装置设计将磁极数和导 体数分别选择为1 4 和2 4 它们的最小公倍数为1 6 8 这个数值比较大 所以齿 槽扭矩相对会比较小 因此装置的运行也会更加稳定 通过图2 2 的装置内部结构设计 理论上实现了对筒形永磁转子和筒形永 磁转子间隙调节的功能 除此之外还实现了两个筒形转子轴向方向的相对运动 从而实现对装置输出扭矩的复合式调节 但是问题也随之而来 首先就是装置 在工作时的旋转速度一般都可达到3 0 0 0 5 0 0 0 r p m 这样的速度对于驱动轴内部 连杆的硬度提出了具体的要求 第二个问题是就是如何通过改变两个筒形转子 间隙大小和轴向相对运动实现装置输出扭矩的调节 对于第一问题来说 它需 要结合机械设计方面的知识去解决 这里不再进行赘述 本文重点要解决第二 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 个问题 因为这两种调节扭矩的方式的基本原理都是由感应磁场而来 因此接 下来本文着重利用a n s o f t 软件中m a x w e l l 2 d 有限元分析工具对该装置进行电磁 场分析 以总结出这种两种调节扭矩方式的具体规律 2 4 永磁耦合调速装置的节能效果与应用分析 2 4 1 离心负载的相似定律 为保证负荷最大时风机或水泵系统也能够正常平稳运行 通常都是根据系 统最大输出能力去配备风机或水泵系统 但是在实际应用中 多数情况下系统 并不需要在满负荷下运行 所以一般这时候根据负载的实际需要 通过控制像 阀门这样的元件来达到对流量或压力的控制 但是这样的缺陷是当阀门开度小 于1 0 0 或者阀门调节器为非直通型时 流体经过阀门会造成大量的能量损失 除此之外 阀门两端产生的压差还会使风机或水泵的轴功率需求大量增加 所 以导致结果就是当阀门开度减小时 电机的输入功率不但没有减小 反而还会 增加 大量能量白白浪费 而永磁调速装置采用的永磁调速驱动技术 可以通 过调节气隙来改变传递输出扭矩进而改变输出速度从而实现流量或压力的连续 控制 流量相当于扭矩 这样可以看作是将气隙取代了原系统中的阀门 在电 机转速不变的情况下 调节风机或水泵的转速 众所周知 所有的流体在封闭的系统中流动都遵守相似定律 所谓的相似 定律就是指如果泵和风机满足几何相似 运动相似和动力相似三个相似条件 泵或风机就可以在全相似工况下运行 在全相似工况下运行的泵或风机其在流 量 扬程 功率与转速之间有下面三个著名的相似定理的公式p 厶 厶 n l n 2 1 d p i d p o 2 1 n o 2 2 w o w 1 1 n 3 2 3 式中 l 为泵或风机的流量 单位为m 3 s 刀为泵或风机的转速 单位为r m i n a p 为泵或风机的扬程 单位为p a 嘿为泵或风机的轴功率 单位为w 下标 0 表示泵或风机在额定转速 1 1 时的参数 下标1 表示泵或风机在额定转速 l 时 全相似工况的参数 上述方程描述了在封闭系统中压力变化和流体流动的关系 对于一个固定 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 的系统 电机的转矩变化与流动速度的平方成正比 此外 功率的变化与速度 的立方成正比 这个速度和输入功率之间三次方关系就是实现能源节约的地方 参见图2 3 x 轴为速度的相对值 y 轴为各参数相对的增减比例值 该图很好 的说明了 相似定律 的含义 由图2 3 可以看出 当输出流量和压力减少时 电机功率急剧下降 从而减少了能源的需求 实际上 任何一种调速装置都是需 要能量消耗的 但这种能耗远远低于输入的能耗 因此 可以实现很好的节能 效果 例如 如果风扇转速降低2 0 电机功率 能耗 就能降低近5 0 所 以不难看出控制好输出速度是很重要的 因为哪怕是改变很小的速度量都会实 现能量的显著节约 符 参 数 的 相 对 比 例 值 速度的相对值 图2 3 相似定律的说明图 f i g 2 3e x p l a n a t o r yd r a w i n go fs i m i l a rl a w 2 4 2 成本计算 运行一个泵的实际成本主要是泵的流量 总动力扬程和泵的效率的综合函 数 这种高效率可直接从泵的曲线中得到 但它常常会由下列公式计算 p u m p p o w e r b h p 甓等 2 4 式中 婊示流量 臁示扬程 s g 表示比重 e 表示流速为当前q 值的效率 要分析在泵操作预期的能源成本 有必要比较一下在一定运行时间内 指 定流量所消耗的马力 如果我们假设能源成本为每千瓦时o 4 5 元人民币 那么 一个以4 4 马力牵引的小型泵按照每天2 4 个小时 一年3 6 5 天运行计算 那么 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 结果如下 年度功率成本 流量 0 7 4 6 x 操作时间 消耗成本 每千瓦时 4 4 0 7 4 6 x 2 4 3 6 5 x 0 4 5 1 2 9 3 9 2 2 0 元 如果该泵以1 0 0 效率运行 那么每年发电成本将全部贡献给泵的扬程和容 量 不过这种规模的典型泵 即使它是运行在最佳效率点 b e p 大约也就有 6 5 的效率 因此 年度总金额为8 4 1 0 4 9 3 元 而其余3 5 4 5 2 8 7 2 7 元 的 差异则会因为泵的效率较低而浪费掉 在现实中 泵不可能都在最佳效率点运行 有的泵也就是5 0 的效率 这 是典型的用控制阀 油门 来限制泵的流量 鉴于此情况下 能源浪费占据总 成本的5 0 6 4 6 9 6 1 0 元 用户不得不每年在能源的消耗上浪费1 9 4 0 8 8 3 元 甚至更多 这也许可能看起来是不是很多 但是 当我们考虑到一个工厂可能 有1 0 0 个这样的水泵 并且所有的水泵都具有类似的低效率经营 那就会造成 超过2 0 0 万人民币的年度亏损总额 而相对于类似的低效率的大型水泵来说 成本的增加问题更加突出 这也成为可调高速装置横空出世的前提和理由 控制流量的时候 如果恒 速的方式控制阀进行节流 那么就会消耗泵的扬程 而如果适当降低泵的速度 将会产生新的扬程一流量和效率曲线 并且遵循水泵相似定律 在较低的速度 下 泵的效率曲线将会向左移动 因此 泵在减慢速度运行时仍然在它的最佳 效率点附近移动 所以 利用变速代替恒速可以通过以下两种方式节省了能源 第一是可以使泵运行在最佳效率点附近 第二是没有能量浪费在控制阀 2 5 本章小结 本章首先简单阐述同轴式永磁调速装置的工作原理 通过将装置与变频调 速器等其他装置的比较总结出同轴式永磁调速装置的优势 重点对该装置结构 进行了设计和分析 并对永磁调速装置节能效果进行分析和计算 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第3 章同轴式异步永磁调速装置的有限元分析 3 1 电磁场理论分析的原理与方法 目前对于永磁调速装置的电磁场问题 常用的数值解法有差分法和有限元 法 因为用有限元法进行单元剖分时灵活性大 适用性强 得到解的精度高 因此我们采用有限元法对该装置电磁场进行数值计算酗铆 在永磁异步装置的电磁场分析中 为了简化计算 作以下假设 1 忽略电机轴向磁场的变化 采用二维场分析 2 材料为各向同性 忽略铁磁材料的磁滞效应 3 永磁材料用等效面电流模拟 永磁异步装置电磁场的有限元分析是从麦克斯韦方程组开始的 麦克斯韦 方程组的微分形式为 v 日 望 3 1 d f v 曰 一堕 邝 2 以 v d p 3 3 v 曰一0 3 4 式中 日为磁场强度矢量 为传导电流密度矢量 d 为电位移矢量 e 为电 场强度矢量 曰磁感应强度矢量 p 为自由电荷体密度 媒介质中的电磁场满 足 d e 3 5 曰 日 3 6 j y e 式中 f 为电容率 肛为电导率 为磁导率 该装置的电磁场一般不考虑位移电流的作用 方程为 3 7 所以该异步永磁装置的基本 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 2 二维边界条件 v 日 j v b 0 b 睢h 3 8 3 9 3 1 0 电磁场的分析与计算一般归结为偏微分方程的求解 对于常微分方程 只 要由辅助条件决定任意常数以后 其解就是唯一的 有限元法首先从偏微分方 程定解问题出发 找出能量泛函的积分式 令它在满足第一类边界条件的前提 下取极值 即构成条件变分问题 这个条件变分问题和偏微分方程定解问题等 价 有限元法便是以条件变分问题为对象来求解电磁场问题的 对于偏微分方 程 使其解为唯一的辅助条件可分为两种 一种是确定场的初始状态 称为初 始条件 另一种是表达场的边界所处的物理情况 称为边界条件 初始条件和 边界条件合称为定解条件 未附加定解条件的描写普遍规律的微分方程称为泛 定方程 泛定方程和定解条件作为一个整体称为定解问题 目前 电机电磁场 问题主要研究的是没有初始条件而只有边界条件的定解问题 边值问题 边 界条件通常有三种情况 狄利克莱边界条件 诺依曼条件和第三类边界条件 本文只用了狄利克莱边界条件 a l f g r 3 1 1 式中 r 1