永磁驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩以及渦流損耗的影響分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u19897永磁驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩以及渦流損耗的影響分析案例 [47]。1.2永磁驅(qū)動(dòng)器三維有限元分析1.2.1三維有限元仿真模型盤式永磁驅(qū)動(dòng)器的磁場(chǎng)分布呈三維分布，因此需要對(duì)其建立三維有限元模型。利用ANSYS軟件對(duì)其建立的有限元模型如圖1.1所示。根據(jù)盤式永磁驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)以及所要分析的一些物理量的要求，作出如下假設(shè)：(1)忽略曲率以及位移電流的密度；(2)銅盤的轉(zhuǎn)速是恒定的；(3)忽略銅盤的彈性形變，其在恒定轉(zhuǎn)速情況下幾何形狀不會(huì)發(fā)生變化；(4)忽略端部磁場(chǎng)產(chǎn)生的漏磁通，并規(guī)定轉(zhuǎn)動(dòng)軸不對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行傳導(dǎo)；(5)忽略驅(qū)動(dòng)器在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生溫度的影響，材料屬性不會(huì)因此發(fā)生變化；(6)規(guī)定相對(duì)磁導(dǎo)率和電阻率各向同性。圖1.1盤式永磁驅(qū)動(dòng)器三維有限元模型建立三維有限元模型的仿真參數(shù)如表1.1所示。表1.1仿真永磁驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值導(dǎo)體材料黃銅H62永磁材料釹鐵硼導(dǎo)體環(huán)內(nèi)半徑190軟磁材料45號(hào)鋼導(dǎo)體環(huán)外半徑370銅盤厚度6.5永磁體數(shù)量12氣隙大小4永磁體徑向長(zhǎng)度130永磁體厚度20永磁體高度94鋼盤內(nèi)徑190鋼的相對(duì)磁導(dǎo)率500鋼盤外徑370永磁體相對(duì)磁導(dǎo)率1.05鋼盤厚度151.2.2三維有限元靜態(tài)分析永磁驅(qū)動(dòng)器處于靜態(tài)，沒(méi)有感應(yīng)磁場(chǎng)的生成，因此磁路中只有永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)。靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的永磁驅(qū)動(dòng)器磁場(chǎng)分布如圖1.2以及圖1.3。磁路中只有永磁場(chǎng)存在，徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度不同，且分布不均，但是其卻表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，磁感應(yīng)強(qiáng)度沿永磁體所在圓周呈正弦規(guī)律變化，永磁體中心磁通量最大，因此磁感應(yīng)強(qiáng)度最高。磁感線從永磁體N極開(kāi)始，環(huán)氣隙、銅盤一周，回到相鄰磁極的S極，構(gòu)成了閉合的主磁路。圖1.2靜態(tài)永磁驅(qū)動(dòng)器磁感應(yīng)強(qiáng)度等值圖圖1.3靜態(tài)永磁驅(qū)動(dòng)器磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖永磁驅(qū)動(dòng)器靜態(tài)時(shí)，其銅盤磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖1.4所示。由于沒(méi)有感應(yīng)磁場(chǎng)的產(chǎn)生，靜態(tài)銅盤磁感應(yīng)強(qiáng)度非常低，位于永磁體沿z軸投影的銅盤部分，磁感應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)要高一些。圖1.4靜態(tài)銅盤磁感應(yīng)強(qiáng)度等值圖1.2.3三維有限元?jiǎng)討B(tài)分析永磁驅(qū)動(dòng)器在工作狀態(tài)下，銅盤和永磁體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此我們還需要了解其在動(dòng)態(tài)時(shí)的磁場(chǎng)分布情況。動(dòng)態(tài)永磁驅(qū)動(dòng)器磁場(chǎng)分布如圖1.5以及1.6所示。銅盤在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，磁路中不僅存在永磁場(chǎng)，還產(chǎn)生了渦流感應(yīng)的磁場(chǎng)；磁感線從永磁體N極開(kāi)始，環(huán)氣隙、銅盤一周，回到相鄰永磁體的S極，構(gòu)成了閉合的主磁路。圖1.5動(dòng)態(tài)永磁驅(qū)動(dòng)器磁感應(yīng)強(qiáng)度等值圖圖1.6動(dòng)態(tài)永磁驅(qū)動(dòng)器磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖永磁驅(qū)動(dòng)器在動(dòng)態(tài)時(shí)，對(duì)于銅盤的電磁場(chǎng)分析是最為關(guān)鍵的。其銅盤磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖1.7以及1.8所示。磁感應(yīng)強(qiáng)度分布不均，沿永磁體所在圓周呈正弦規(guī)律變化。除了永磁場(chǎng)外，動(dòng)態(tài)時(shí)產(chǎn)生的渦流感應(yīng)磁場(chǎng)存在于相鄰永磁體在銅盤上產(chǎn)生的投影間的部分，產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)個(gè)數(shù)與渦流的回路數(shù)相同。圖1.7動(dòng)態(tài)銅盤磁感應(yīng)強(qiáng)度等值圖圖1.8動(dòng)態(tài)銅盤磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖動(dòng)態(tài)銅盤渦流密度如圖1.9以及圖1.10所示。存在于銅盤中的渦流表現(xiàn)在兩個(gè)方面，其中一個(gè)方面是產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩的感應(yīng)磁場(chǎng)，另一個(gè)方面是驅(qū)動(dòng)器以及銅盤中產(chǎn)生渦流損耗，這也是永磁驅(qū)動(dòng)器溫度升高的主要原因。由圖1.9和圖1.10可以看出，在銅盤上的渦流分布不均勻，渦流密度沿軸向逐漸降低，且其中包含12個(gè)渦流回路，與永磁體個(gè)數(shù)相對(duì)應(yīng)。在回路中，徑向的渦流密度更高。圖1.9銅盤渦流密度等值圖圖1.10銅盤表面渦流密度矢量圖動(dòng)態(tài)盤式永磁驅(qū)動(dòng)器的輸出轉(zhuǎn)矩如圖1.11所示。橫軸為時(shí)間，縱軸為輸出轉(zhuǎn)矩單位，平均轉(zhuǎn)矩為1.35。仿真時(shí)間在0.18時(shí)，盤式永磁驅(qū)動(dòng)器的輸出轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到平均轉(zhuǎn)矩，但從圖中可以看出，輸出轉(zhuǎn)矩的數(shù)值較小，且數(shù)值隨時(shí)間波動(dòng)較大。因此，需要對(duì)永磁驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行后續(xù)的改進(jìn)和優(yōu)化，使得輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到平穩(wěn)以及理想的數(shù)值。圖1.11永磁驅(qū)動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)矩從圖1.12中可以看出驅(qū)動(dòng)器不同區(qū)域渦流損耗的情況。渦流損耗的具體數(shù)值如圖1.13所示，將圖1.11與圖1.13進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，渦流損耗與輸出轉(zhuǎn)矩的變化是相應(yīng)的，渦流損耗隨著輸出轉(zhuǎn)矩增大而增大。圖1.12銅盤渦流損耗密度等值圖圖1.13永磁驅(qū)動(dòng)器渦流損耗1.3永磁驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析本節(jié)利用控制變量法分析了永磁體厚度、磁極數(shù)、氣隙大小、銅盤厚度這些主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)永磁驅(qū)動(dòng)器的輸出轉(zhuǎn)矩以及渦流損耗的影響。同時(shí)通過(guò)分別將利用等效磁路法和分離變量法計(jì)算出的數(shù)據(jù)和有限元仿真得出的具體輸出轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而確定輸出轉(zhuǎn)矩的目標(biāo)函數(shù)，為第四章的多目標(biāo)優(yōu)化做準(zhǔn)備。1.3.1永磁體厚度對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩和渦流損耗影響原始仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)如表1.2所示。保持其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，通過(guò)改變永磁體厚度研究其對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)矩以及渦流損耗的影響。從理論上分析，永磁體厚度增大，由式可得永磁體磁通勢(shì)會(huì)隨之增大。增大會(huì)導(dǎo)致氣隙磁通量增大，軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度也會(huì)增大，最終銅盤感應(yīng)電流增大。將這些變量的變化代入第二章等效磁路法所得輸出轉(zhuǎn)矩表達(dá)式(2.37)后可知，永磁驅(qū)動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)矩增大，從而渦流損耗也增大。表1.2仿真永磁驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)參數(shù)數(shù)值永磁體厚度20永磁體數(shù)量12氣隙大小4銅盤厚度6.5永磁體的厚度由16增至28，永磁驅(qū)動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)矩以及渦流損耗變化數(shù)據(jù)如表1.3所示，可以看出其輸出轉(zhuǎn)矩和渦流損耗都隨著永磁體厚度增加而增大。表1.3輸出轉(zhuǎn)矩、渦流損耗隨永磁體厚度變化數(shù)值永磁體厚度輸出轉(zhuǎn)矩渦流損耗162.516611.8935182.851212.7868201.232215.5914221.417516.3203241.623118.6583261.835018.2588281.921319.1559通過(guò)等效磁路法、分離變量法以及有限元仿真數(shù)據(jù)所得永磁驅(qū)動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)矩隨永磁體厚度變化的曲線如圖1.14所示，由曲線可以看出，等效磁路法所得解析模型的輸出轉(zhuǎn)矩與有限元仿真數(shù)據(jù)更加貼合。圖1.15為因永磁體厚度變化而產(chǎn)生的渦流損耗等值圖，銅盤上的渦流損耗隨著永磁體厚度的增加而增大。圖1.14輸出轉(zhuǎn)矩隨永磁體厚度變化曲線圖1.15永磁體厚度從16到26變化銅盤渦流損耗密度圖1.3.2磁極數(shù)對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩和渦流損耗影響與1.3.1節(jié)一樣，在保持其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，通過(guò)改變磁極數(shù)研究其對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)矩以及渦流損耗的影響。從理論上分析，由2.1.2節(jié)通過(guò)等效磁路法得到的輸出轉(zhuǎn)矩表達(dá)式(2.38)以及2.2.2節(jié)通過(guò)分離變量法得到的輸出轉(zhuǎn)矩表達(dá)式(2.85)至(2.87)，永磁驅(qū)動(dòng)器的輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著磁極數(shù)增加而呈正比例增加。磁極數(shù)由8個(gè)增至14個(gè)，永磁驅(qū)動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)矩以及渦流損耗變化數(shù)據(jù)如表1.4所示，可以看出其輸出轉(zhuǎn)矩和渦流損耗都隨著磁極數(shù)增加而增大。表1.4輸出轉(zhuǎn)矩、渦流損耗隨磁極數(shù)變化數(shù)值永磁體磁極數(shù)輸出轉(zhuǎn)矩渦流損耗81.56397.5053102.232410.6347121.262215.5914144.094319.5980永磁驅(qū)動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)矩隨磁極數(shù)變化的曲線如圖1.16所示，由曲線可以看出，等效磁路法所得解析模型的輸出轉(zhuǎn)矩與有限元仿真數(shù)據(jù)更加貼合。圖1.17為磁極數(shù)由16至28銅盤的渦流損耗等值圖，銅盤上的渦流損耗隨著磁極數(shù)的增加而增大。圖1.16輸出轉(zhuǎn)矩隨永磁體磁極數(shù)變化曲線圖1.17磁極數(shù)從8到14變化銅盤渦流損耗密度圖1.3.3氣隙大小對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩和渦流損耗影響與1.3.1節(jié)一樣，在保持其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，通過(guò)改變氣隙大小研究其對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)矩以及渦流損耗的影響。從理論上分析，在等效磁路法中，由式(2.5)氣隙增大，氣隙磁阻增大。由式(2.20)可得，氣隙磁通、磁感應(yīng)強(qiáng)度也會(huì)隨之減小，由于切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電流減小。根據(jù)上述物理量的變化，代入2.1.2節(jié)求得的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式(2.37)中，可以分析出輸出轉(zhuǎn)矩減小。在分離變量法中，氣隙增大，由式(2.68)至(2.81)以及式(2.78)至式(2.81)，可以得到磁通量會(huì)隨之減小，最終根據(jù)分離變量法轉(zhuǎn)矩表達(dá)式式(2.85)至式(2.86)，得轉(zhuǎn)矩減小。氣隙大小由1增至6，永磁驅(qū)動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)矩以及渦流損耗變化數(shù)據(jù)如表1.5所示，可以看出其輸出轉(zhuǎn)矩和渦流損耗都隨著氣隙的增加而減小。表1.5輸出轉(zhuǎn)矩、渦流損耗隨氣隙大小變化數(shù)值氣隙大小輸出轉(zhuǎn)矩渦流損耗11.838417.623021.571617.024231.362716.485241.062215.591452.871811.554062.746112.9732永磁驅(qū)動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)矩隨氣隙大小變化的曲線如圖1.18所示，由曲線可以看出，等效磁路法所得解析模型的輸出轉(zhuǎn)矩與有限元仿真數(shù)據(jù)更加貼合。圖1.19為氣隙大小由1增至6銅盤的渦流損耗等值圖，銅盤上的渦流損耗隨著氣隙的增加而減小。圖1.18輸出轉(zhuǎn)矩隨氣隙變化曲線圖1.19氣隙大小從1到6變化銅盤渦流損耗圖1.3.4銅盤厚度對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩和渦流損耗影響與1.3.1節(jié)一樣，在保持其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，通過(guò)改變銅盤厚度研究其對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)矩以及渦流損耗的影響。從理論上分析，在等效磁路法中，在銅盤厚度增加的情況下，銅盤中由于電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，代入式(2.38)可得輸出轉(zhuǎn)矩增大。在分離變量法中，將銅盤厚度變化代入式(2.85)至式(2.87)中，可得輸出轉(zhuǎn)矩增大。但是，由于銅盤厚度變化會(huì)導(dǎo)致其表面產(chǎn)生集膚效應(yīng)，因此在后期輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)相應(yīng)減小。銅盤厚度由5增至12，永磁驅(qū)動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)矩以及渦流損耗變化數(shù)據(jù)如表1.6所示，可以看出其輸出轉(zhuǎn)矩和渦流損耗都會(huì)隨著銅盤厚度增加從而先增大后減小。表1.6輸出轉(zhuǎn)矩、渦流損耗隨銅盤厚度變化數(shù)值銅盤厚度輸出轉(zhuǎn)矩渦流損耗51.078514.499561.091714.534971.061714.460381.055214.4187