永磁调速器温度场仿真分析

王延杰　周三平

【摘 要】永磁调速器在运行过程中，由于涡流损耗，导致其温度升高，而永磁体在高温下易退磁。本文采用计算流体力学方法，用ANSYS-Fluent软件对永磁调速器的流场和温度场进行数值仿真，在分析流场和温度场分布规律的基础上，对永磁调速器的结构进行了改进，在其导体转子和永磁转子两侧面均开端面窗口并添加叶片。结果表明，结构改进后，永磁调速器内流场流量增大，温度降低，达到了永磁体要求的温度范围，为永磁调速器的通风冷却结构设计提供了理论依据。

【关键词】永磁调速器；通风散热；温度场；仿真分析

0 引言

永磁调速器是利用永磁磁力驱动技术通过调速结构来实现调速目的的调速传动装置[1]。与液力耦合器和变频器相比具有结构简单、无机械连接、高效驱动、高效节能、维护简单、寿命长等特点，在发电、冶金、石化、采矿等行业广泛应用。

永磁调速器在运行过程中，转差功率损耗大部分以热量形式散失，导致其各部件温度升高，而永磁材料在高温下会发生不可逆的退磁现象[2]，对其运行可靠性和寿命造成不良影响。为了使永磁调速器能够在安全条件下运行，有必要分析各部分温度分布，以便改进结构，强化传热，降低温度。

1 永磁调速器的结构和工作原理

1.1 永磁调速器的结构

永磁调速器的结构如图1所示，主要由导体转子和永磁转子组成，导体转子与电机轴相连，永磁转子与负载轴相连，两者之间存在气隙无直接机械连接[3]。

1.2 永磁调速器的工作原理

导体转子与电机连接在一起，永磁转子和负载连接在一起，当电机转动时，带动导体转子转动，导体转子上的磁场就发生变化，在其表面形成涡流，涡流产生的感应磁场与永磁体产生的磁场相互作用，使永磁转子也随之转动，进而实现转矩的传输[4]。

2 永磁调速器流场和温度场的仿真分析

2.1 模型的建立

用ANSYS Workbench中的Design Modeler模块建立了永磁调速器的三维实体模型所示。为了避免边界效应，将入口外延150mm，出口选为风罩出口处。

2.2 网格的划分

内部结构划分采用四面体网格，结构突变处采用网格细化的方法，以确保网格的连续性和划分质量，便于准确处理边界条件，提高计算精度，得到节点数为147020，单元数为87613。

2.3 边界条件

根据永磁调速器的结构特点和求解区域，边界条件设置如下：

（1）空气流道的Inlet（入口）和Outlet（出口）分别设置为压力入口和压力出口，压力为标准大气压，温度设置为外延环境大气温度20℃；

（2）主动轮和从动轮流体壁面均设置为绕Z轴转动的旋转壁面，转速分别为3000rpm和1500rpm，热能项均设置为系统耦合；

（3）永磁体流体壁面同样设置为绕Z轴转动的旋转壁面，转速与从动轮流体壁面保持一致为1500rpm，热源项根据实际工况中的效率损失等效计算设置其发热率为4×105w/m3；

（4）风罩与外界的接触流体壁面采用第三类边界条件，周围空气介质温度设置为20℃，边界换热系数α由经验公式计算得到约为10w/（m2·k）。

2.4 仿真求解分析

永磁调速器的速度迹线如图2所示，铜导体转子和永磁转子包围的中心流体流速较小，大量空气累积而不能流出，进出口总流量为0.57kg/s，只有少量空气进出，无法与外界形成有效对流，导致永磁调速器永磁体温度较高，达到120.2℃，超出永磁材料在能够承受的温度范围。

3 永磁调速器的模型改进和分析

考虑到导体转子和永磁转子所包围的中心区域流体只做低速转动而不能流出，导致永磁调速器温度场过高，在导体转子和永磁转子侧面开窗口，以加大导体转子和永磁转子所包围的中心区域流体与外界的对流，同时在两侧添加叶片，以加大流体导入和导出中心区域的动力，从而增加永磁调速器内空气的流通量，加大热量的对流。

对改进后的模型进行数值仿真，速度迹线和温度场分布如图3所示。结构改进后进出口总流量分别高达2.37kg/s，远大于改进前的0.57kg/s。最高温度由改进前的120.2℃降至74℃，可见永磁调速器结构的改进，降温效果明显。

4 结论

（1）导体转子和永磁转子包围的中心区域流体只在该区域旋转不能排出，进出口流量只有0.57kg/s；（2）永磁体温度最高，达120.2℃；（3）结构改进后，进出口流速增大，流量增加，达到2.37kg/s，流体能有效进出，带走更多热量；（4）永磁体温度降至74℃，降低了46.2℃，达到了降温目的。

【参考文献】

[1]牛晓博.基于ANSYS的永磁调速器磁场研究[D].西安：长安大学机械电子工程，2012：20-32.

[2]李伟力，陈婷婷，曲凤波，等.高压永磁同步电动机实心转子三维温度场分析[J].中国电机工程学报，2011，31（18）：55-60.

[3]路韬，莫云辉.一种无接触的传动和调速技术-永磁调速[J].机械制造，2012，580（50）：72-74.

[4]S J Salon， L Tukenmez-Ergence， and P F Wendling.3D Transient Magnetic Modeling of Braking Torque in a Rotating Conducing Disk[C]// IEEE Int. Electric Machine and Drives Conf.， Brasov， Romania， 2000.

[责任编辑：汤静]