新型聚磁式永磁涡流耦合器及其电磁特性分析

作者:陶前程;林鹤云;李毅搏;王克羿;李亚; 刊名:东南大学学报(自然科学版) 上传者:常玉芬

【摘要】提出了一种新型聚磁式永磁涡流耦合器(FCPM-ECC),通过在永磁转子内设置磁障以减少漏磁、增强聚磁效应,从而提高永磁体利用率和耦合器的输出转矩.基于等效磁路法(MEC)建立了FCPM-ECC的解析模型,在此基础上推导其涡流和电磁转矩表达式,并通过3D有限元法(FEA)验证了解析模型的准确性.此外,研究了永磁体极数、永磁体厚度、永磁内转子铁芯厚度和磁障尺寸等参数变化对FCPM-ECC转矩提升程度的影响,并总结了不同永磁体厚度下磁障尺寸参数选取的一般规律.研究表明,所提出的新型聚磁式结构可以显著减小永磁体的漏磁,进而提高耦合器的输出转矩.与传统内置永磁式涡流耦合器(IPM-ECC)相比,在永磁体用量相等的情况下,采用该聚磁式结构可将输出转矩提升17. 1%.

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永磁涡流耦合器[1]是一种基于异步传动原理[2]的调速装置,其主、从动旋转构件的一侧设置永磁体,另一侧则设置金属导体.当导体转子与永磁转子间存在相对运动时,永磁磁场会在导体转子上感应出涡流,永磁磁场和涡流相互作用产生电磁转矩[3].调节转子间的气隙或者耦合面积大小可以改变电磁转矩的大小.永磁涡流耦合器能够很好地实现电动机和风机、泵类负载间无机械连接传动及负载侧转矩调节,具有高效节能[4]、维护费用低、安装简单、软启动和适应恶劣环境等特性.永磁涡流耦合器按照永磁体安装方式可分为内置永磁式涡流耦合器(IPM-ECC)和表贴永磁式涡流耦合器(SPM-ECC).内置永磁式结构中的永磁体可承受更大的离心力,允许装置在更高的转速下工作,且永磁体远离发热铜层,降低了由温度以及涡流磁场引起退磁的风险[5-6].文献[7]基于等效磁路法建立了内置式轴向磁通永磁涡流耦合器的解析模型,该模型考虑了铁芯材料的非线性问题,并进行了结构参数对装置电磁性能的敏感度分析,获得了转矩特性曲线.尽管内置永磁式涡流耦合器具有上述一系列优势,但其漏磁较表贴永磁式涡流耦合器大一些,即在永磁体用量相同的条件下,其输出转矩较表贴永磁式低.为此,本文提出一种新型聚磁式永磁涡流耦合器(FCPM-ECC),通过在转子铁芯内设置磁障来减小永磁体漏磁并增强聚磁效应,提高永磁体利用率,从而提高耦合器的输出转矩.本文首先基于等效磁路法(MEC)[8-11]建立了FCPM-ECC的解析模型,据此推导了其涡流和电磁转矩表达式,采用有限元方法(FEA)对解析计算的结果进行了验证.分析结果表明,与传统IPM-ECC相比,同等永磁体用量情况下所提新型FCPM-ECC的永磁体漏磁明显减少,输出转矩显著提升.1拓扑结构图1(a)为所提新型聚磁式永磁涡流耦合器(a)三维结构分解视图(b)轴向截面图图1新型聚磁式永磁涡流耦合器的3D分解视图;图1(b)为耦合器轴向截面示意图. FCPM-ECC和IPM-ECC均由内转子铁芯、永磁体、铜导体层和导体转子背铁组成.与后者不同的是,前者在内转子永磁体极间设置了磁障.图2 (a)和(b)分别为FCPM-ECC和IPM-ECC的磁场分布图,从图中可看出FCPM-ECC减少了永磁体内半径空气侧漏磁,增强了聚磁效应.(a) FCPM-ECC (b) IPM-ECC图2磁场分布图2解析模型解析法是快速分析电磁装置电磁特性的有效方法.本文基于等效磁路法建立并求解了FCPM-ECC的等效磁路模型.图3为FCPM-ECC的永磁磁路示意图,图中标出了主要的结构参数和各部分磁通路径所对应的磁阻,ABCD所围成的梯形区域表示永磁体极间设置的磁障,梯形下底距两侧永磁体的距离Lg均为1 mm,IPM-ECC无此区域.基于图3所示的磁通路径,建立如图4所示等效磁路模型.图4中,Fc为永磁体磁动势源的计算磁动势; Rm为永磁体的内磁阻; Ryo1和Ryo2为外转子铁芯中不同区域的磁阻; Fm为永磁体两端向外磁路提供的磁动势;Фyg为永磁体内半径侧铁芯中的磁通;Фyi为永磁体外半径侧铁芯中的磁通;Фg为图3 FCPM-ECC的永磁磁路示意图气隙磁通.由于永磁体内半径侧空气中的漏磁阻Rg i远大于永磁体内半径侧铁芯中的漏磁阻Ryg,故计算时可忽略Ryg.图4等效磁路模型为了获得更高的精度,图4中的参数都在圆柱坐标系下进行计算推导.永磁体的磁动势为Fc=HcLpm(1)式中,Hc为永磁体的矫顽力; Lpm为永磁体厚度.内转子永磁体的磁阻Rm以及轭部磁阻Ryi为Rm=LpmμpmLhLm,Ryi=πri(/p-L)p

参考文献

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