【《永磁驱动器结构参数对输出转矩以及涡流损耗的影响分析案例》3800字】

永磁驱动器结构参数对输出转矩以及涡流损耗的影响分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u19897永磁驱动器结构参数对输出转矩以及涡流损耗的影响分析案例 [47]。1.2永磁驱动器三维有限元分析1.2.1三维有限元仿真模型盘式永磁驱动器的磁场分布呈三维分布，因此需要对其建立三维有限元模型。利用ANSYS软件对其建立的有限元模型如图1.1所示。根据盘式永磁驱动器的结构以及所要分析的一些物理量的要求，作出如下假设：(1)忽略曲率以及位移电流的密度；(2)铜盘的转速是恒定的；(3)忽略铜盘的弹性形变，其在恒定转速情况下几何形状不会发生变化；(4)忽略端部磁场产生的漏磁通，并规定转动轴不对磁场进行传导；(5)忽略驱动器在旋转过程中产生温度的影响，材料属性不会因此发生变化；(6)规定相对磁导率和电阻率各向同性。图1.1盘式永磁驱动器三维有限元模型建立三维有限元模型的仿真参数如表1.1所示。表1.1仿真永磁驱动器结构参数参数数值参数数值导体材料黄铜H62永磁材料钕铁硼导体环内半径190软磁材料45号钢导体环外半径370铜盘厚度6.5永磁体数量12气隙大小4永磁体径向长度130永磁体厚度20永磁体高度94钢盘内径190钢的相对磁导率500钢盘外径370永磁体相对磁导率1.05钢盘厚度151.2.2三维有限元静态分析永磁驱动器处于静态，没有感应磁场的生成，因此磁路中只有永磁体产生的磁场。静止状态时的永磁驱动器磁场分布如图1.2以及图1.3。磁路中只有永磁场存在，径向磁感应强度不同，且分布不均，但是其却表现出一定的规律性，磁感应强度沿永磁体所在圆周呈正弦规律变化，永磁体中心磁通量最大，因此磁感应强度最高。磁感线从永磁体N极开始，环气隙、铜盘一周，回到相邻磁极的S极，构成了闭合的主磁路。图1.2静态永磁驱动器磁感应强度等值图图1.3静态永磁驱动器磁感应强度矢量图永磁驱动器静态时，其铜盘磁感应强度分布如图1.4所示。由于没有感应磁场的产生，静态铜盘磁感应强度非常低，位于永磁体沿z轴投影的铜盘部分，磁感应强度相对要高一些。图1.4静态铜盘磁感应强度等值图1.2.3三维有限元动态分析永磁驱动器在工作状态下，铜盘和永磁体发生相对运动，因此我们还需要了解其在动态时的磁场分布情况。动态永磁驱动器磁场分布如图1.5以及1.6所示。铜盘在旋转状态下，磁路中不仅存在永磁场，还产生了涡流感应的磁场；磁感线从永磁体N极开始，环气隙、铜盘一周，回到相邻永磁体的S极，构成了闭合的主磁路。图1.5动态永磁驱动器磁感应强度等值图图1.6动态永磁驱动器磁感应强度矢量图永磁驱动器在动态时，对于铜盘的电磁场分析是最为关键的。其铜盘磁感应强度分布如图1.7以及1.8所示。磁感应强度分布不均，沿永磁体所在圆周呈正弦规律变化。除了永磁场外，动态时产生的涡流感应磁场存在于相邻永磁体在铜盘上产生的投影间的部分，产生感应磁场个数与涡流的回路数相同。图1.7动态铜盘磁感应强度等值图图1.8动态铜盘磁感应强度矢量图动态铜盘涡流密度如图1.9以及图1.10所示。存在于铜盘中的涡流表现在两个方面，其中一个方面是产生输出转矩的感应磁场，另一个方面是驱动器以及铜盘中产生涡流损耗，这也是永磁驱动器温度升高的主要原因。由图1.9和图1.10可以看出，在铜盘上的涡流分布不均匀，涡流密度沿轴向逐渐降低，且其中包含12个涡流回路，与永磁体个数相对应。在回路中，径向的涡流密度更高。图1.9铜盘涡流密度等值图图1.10铜盘表面涡流密度矢量图动态盘式永磁驱动器的输出转矩如图1.11所示。横轴为时间，纵轴为输出转矩单位，平均转矩为1.35。仿真时间在0.18时，盘式永磁驱动器的输出转矩可以达到平均转矩，但从图中可以看出，输出转矩的数值较小，且数值随时间波动较大。因此，需要对永磁驱动器进行后续的改进和优化，使得输出转矩达到平稳以及理想的数值。图1.11永磁驱动器输出转矩从图1.12中可以看出驱动器不同区域涡流损耗的情况。涡流损耗的具体数值如图1.13所示，将图1.11与图1.13进行对比发现，涡流损耗与输出转矩的变化是相应的，涡流损耗随着输出转矩增大而增大。图1.12铜盘涡流损耗密度等值图图1.13永磁驱动器涡流损耗1.3永磁驱动器结构参数分析本节利用控制变量法分析了永磁体厚度、磁极数、气隙大小、铜盘厚度这些主要结构参数对永磁驱动器的输出转矩以及涡流损耗的影响。同时通过分别将利用等效磁路法和分离变量法计算出的数据和有限元仿真得出的具体输出转矩的数据进行比较，从而确定输出转矩的目标函数，为第四章的多目标优化做准备。1.3.1永磁体厚度对输出转矩和涡流损耗影响原始仿真结构参数数据如表1.2所示。保持其余结构参数不变，通过改变永磁体厚度研究其对驱动器输出转矩以及涡流损耗的影响。从理论上分析，永磁体厚度增大，由式可得永磁体磁通势会随之增大。增大会导致气隙磁通量增大，轴向磁感应强度也会增大，最终铜盘感应电流增大。将这些变量的变化代入第二章等效磁路法所得输出转矩表达式(2.37)后可知，永磁驱动器输出转矩增大，从而涡流损耗也增大。表1.2仿真永磁驱动器结构参数参数数值永磁体厚度20永磁体数量12气隙大小4铜盘厚度6.5永磁体的厚度由16增至28，永磁驱动器输出转矩以及涡流损耗变化数据如表1.3所示，可以看出其输出转矩和涡流损耗都随着永磁体厚度增加而增大。表1.3输出转矩、涡流损耗随永磁体厚度变化数值永磁体厚度输出转矩涡流损耗162.516611.8935182.851212.7868201.232215.5914221.417516.3203241.623118.6583261.835018.2588281.921319.1559通过等效磁路法、分离变量法以及有限元仿真数据所得永磁驱动器输出转矩随永磁体厚度变化的曲线如图1.14所示，由曲线可以看出，等效磁路法所得解析模型的输出转矩与有限元仿真数据更加贴合。图1.15为因永磁体厚度变化而产生的涡流损耗等值图，铜盘上的涡流损耗随着永磁体厚度的增加而增大。图1.14输出转矩随永磁体厚度变化曲线图1.15永磁体厚度从16到26变化铜盘涡流损耗密度图1.3.2磁极数对输出转矩和涡流损耗影响与1.3.1节一样，在保持其余结构参数不变的情况下，通过改变磁极数研究其对驱动器输出转矩以及涡流损耗的影响。从理论上分析，由2.1.2节通过等效磁路法得到的输出转矩表达式(2.38)以及2.2.2节通过分离变量法得到的输出转矩表达式(2.85)至(2.87)，永磁驱动器的输出转矩会随着磁极数增加而呈正比例增加。磁极数由8个增至14个，永磁驱动器输出转矩以及涡流损耗变化数据如表1.4所示，可以看出其输出转矩和涡流损耗都随着磁极数增加而增大。表1.4输出转矩、涡流损耗随磁极数变化数值永磁体磁极数输出转矩涡流损耗81.56397.5053102.232410.6347121.262215.5914144.094319.5980永磁驱动器输出转矩随磁极数变化的曲线如图1.16所示，由曲线可以看出，等效磁路法所得解析模型的输出转矩与有限元仿真数据更加贴合。图1.17为磁极数由16至28铜盘的涡流损耗等值图，铜盘上的涡流损耗随着磁极数的增加而增大。图1.16输出转矩随永磁体磁极数变化曲线图1.17磁极数从8到14变化铜盘涡流损耗密度图1.3.3气隙大小对输出转矩和涡流损耗影响与1.3.1节一样，在保持其余结构参数不变的情况下，通过改变气隙大小研究其对驱动器输出转矩以及涡流损耗的影响。从理论上分析，在等效磁路法中，由式(2.5)气隙增大，气隙磁阻增大。由式(2.20)可得，气隙磁通、磁感应强度也会随之减小，由于切割磁感线产生的感应电流减小。根据上述物理量的变化，代入2.1.2节求得的转矩表达式(2.37)中，可以分析出输出转矩减小。在分离变量法中，气隙增大，由式(2.68)至(2.81)以及式(2.78)至式(2.81)，可以得到磁通量会随之减小，最终根据分离变量法转矩表达式式(2.85)至式(2.86)，得转矩减小。气隙大小由1增至6，永磁驱动器输出转矩以及涡流损耗变化数据如表1.5所示，可以看出其输出转矩和涡流损耗都随着气隙的增加而减小。表1.5输出转矩、涡流损耗随气隙大小变化数值气隙大小输出转矩涡流损耗11.838417.623021.571617.024231.362716.485241.062215.591452.871811.554062.746112.9732永磁驱动器输出转矩随气隙大小变化的曲线如图1.18所示，由曲线可以看出，等效磁路法所得解析模型的输出转矩与有限元仿真数据更加贴合。图1.19为气隙大小由1增至6铜盘的涡流损耗等值图，铜盘上的涡流损耗随着气隙的增加而减小。图1.18输出转矩随气隙变化曲线图1.19气隙大小从1到6变化铜盘涡流损耗图1.3.4铜盘厚度对输出转矩和涡流损耗影响与1.3.1节一样，在保持其余结构参数不变的情况下，通过改变铜盘厚度研究其对驱动器输出转矩以及涡流损耗的影响。从理论上分析，在等效磁路法中，在铜盘厚度增加的情况下，铜盘中由于电流产生的磁感应强度增大，代入式(2.38)可得输出转矩增大。在分离变量法中，将铜盘厚度变化代入式(2.85)至式(2.87)中，可得输出转矩增大。但是，由于铜盘厚度变化会导致其表面产生集肤效应，因此在后期输出转矩会相应减小。铜盘厚度由5增至12，永磁驱动器输出转矩以及涡流损耗变化数据如表1.6所示，可以看出其输出转矩和涡流损耗都会随着铜盘厚度增加从而先增大后减小。表1.6输出转矩、涡流损耗随铜盘厚度变化数值铜盘厚度输出转矩涡流损耗51.078514.499561.091714.534971.061714.460381.055214.4187