永磁调速器涡流及温度场的耦合分析与计算

赫胜男

摘要：本文針对永磁调速器发热的复杂性以及永磁体高温易退磁的特点，建立了500kW永磁调速器稳态运行条件下的电磁场与三维温度场耦合的求解域物理模型，给出了求解域内的基本假设及相应的边界条件。运用ANSYS Workbench对永磁调速器铜盘、钢盘及永磁体进行了三维温度场仿真分析，确定温度分布，可为永磁调速器的冷却结构设计以及更大容量永磁调速器温度场的准确计算提供理论依据。

[关键词]永磁调速器温度场损耗三维有限元法电磁场

本文以一台500kW永磁调速器为例，建立永磁调速器的电磁场与温度场耦合求解的三维数学模型和物理模型。结合工程实际确定了基本假设和边界条件，采用有限元法确定铜盘、永磁体温度分布规律，确定了永磁调速器的最高温升区域。

1解析模型

1.1电磁场的数学模型

其中：β为材料的磁阻率;n为T2和T3的法线方向;μo为空气的磁导率;

1.2温度场的数学模型

边值问题方程为：

其中：r为样机的边界，为逆时针方向;To为已知表面温度;qo为已知热流密度;d，T，分别是换热系数和换热面温度。

2磁场有限元模型

永磁调速器为单组盘式结构，永磁材料选用钕铁硼永磁体，铜盘选用黄铜H62规格，永磁体磁极数为28个，铜盘内半径210mm，外半径390mm，厚度6mm;铝盘内半径45mm，外半径342mm，厚度32mm;气隙宽度3mm。

3永磁调速器温度场有限元模型

永磁调速器的热源主要以铜盘上的涡流损耗为主，铜盘上热源的生成率可以通过下面的公式得到，其中P，为永磁调速器的涡流损耗，Vcu为铜盘体积。

4三维温度场有限元分析结果

首先计算永磁调速器既定滑差与气隙下的涡流损耗功率，并以此为热源载荷，导入ANSYS Workbench瞬态热分析模块，导入载荷等步骤可计算永磁调速器的温度场。将ANSYS Maxwell仿真得到的涡流场作为激励源，耦合到ANSYS Workbench中作为主要热源，在设置铜盘的对流系数和辐射散热系数，设置起始时间步为0.0ls，最大时间步为0.1s，结束时间为200s，计算到2400步收敛。

图1为永磁体三维温度场分布，样机采用自然冷却，永磁调速器铜盘各个部位温度相差不大，由于永磁调速器只有涡流损耗作为热源，因此永磁体温升较低。永磁材料的温度远远小于其安全工作温度，最高处为80.344'C。所以永磁材料不会发生退磁现象。

图2为铜盘从内径向外径变化时温度的分布，用ANSYS Workbench在铜盘上布置11个探测器，测出不同的半径下温度的大小，绘制出一条温度曲线，直观的看出铜盘上的温度分布，在265mm处温度最高达到187.62°C。

5结论

本文首先通过温度场分析原理，建立了样机温度场分析的有限元模型。在ANSYS Workbench分析了永磁调速器各部分的温度分布，结果显示最高温度出现在铜盘上，永磁材料的温度远远小于150°C的安全工作温度。所以永磁材料不会发生退磁现象。

参考文献

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