征稿通知

第四屆軌道交通電氣與信息技術(shù)國際學(xué)術(shù)會議

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聯(lián)合主辦

中國電工技術(shù)學(xué)會

北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點實驗室

聯(lián)合承辦

中國電工技術(shù)學(xué)會軌道交通電氣設(shè)備技術(shù)專委會

國家高速列車技術(shù)創(chuàng)新中心

《電氣技術(shù)》雜志社

會議日期/地點

2019年10月25-27日/山東青島

摘要

東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院的研究人員鄭迪、王大志、于林鑫、李召，在2019年第11期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，提出盤式永磁渦流驅(qū)動器的電磁-溫度耦合解析模型，用于進(jìn)行電磁場解析計算和溫度場分析。

首先，基于分離變量法建立三維電磁場解析模型用于計算磁場分布，推導(dǎo)轉(zhuǎn)矩和渦流損耗表達(dá)式。然后，將渦流損耗作為熱源，基于等效熱網(wǎng)絡(luò)法建立溫度分析計算模型。電磁-溫度耦合解析模型的計算是考慮材料電磁和溫度特性隨溫度變化，通過溫度迭代過程實現(xiàn)的。

最后，利用該文提出的電磁-溫度耦合解析模型，分析轉(zhuǎn)矩、渦流損耗、永磁體和銅盤溫升隨負(fù)載的變化，并分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對轉(zhuǎn)矩的影響。將解析模型結(jié)果與有限元和實驗結(jié)果進(jìn)行對比，證明解析模型的合理性和正確性。

盤式永磁渦流驅(qū)動器由于磁場和結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、泵、阻尼系統(tǒng)等工業(yè)領(lǐng)域。與傳統(tǒng)機(jī)械傳動設(shè)備相比，盤式永磁渦流驅(qū)動器具有軟啟動、隔離振動、自然保護(hù)過載、容忍較大對中誤差等優(yōu)勢。

由于盤式永磁驅(qū)動器直接利用渦流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，銅盤中產(chǎn)生的感應(yīng)電流將會產(chǎn)生渦流損耗。渦流損耗引起的溫升將會導(dǎo)致永磁體不可逆的退磁，進(jìn)而惡化電磁性能。因此，建立盤式永磁渦流驅(qū)動器的電磁-溫度耦合解析模型，進(jìn)行電磁場解析計算和溫度場分析就非常必要和有意義。

目前，盤式永磁渦流驅(qū)動器的研究主要集中在轉(zhuǎn)矩特性的分析。文獻(xiàn)[5]提出改進(jìn)的二維電磁場解析模型進(jìn)行轉(zhuǎn)矩特性分析。文獻(xiàn)[6]提出適用于小滑差情況的快速計算轉(zhuǎn)矩方法，對穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[7]提出三維解析模型用于分析轉(zhuǎn)矩和軸向力。

文獻(xiàn)[8]提出考慮端部效應(yīng)和曲率效應(yīng)的改進(jìn)三維解析模型用于分析轉(zhuǎn)矩特性。文獻(xiàn)[9]提出混合二維解析模型用于得到轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)表達(dá)式。文獻(xiàn)[10]基于等效磁路法建立解析模型用于推導(dǎo)轉(zhuǎn)矩公式，并分析參數(shù)變化對轉(zhuǎn)矩的影響。但是，電磁場分析和溫度場分析有著很強(qiáng)的相互作用關(guān)系。

電磁場分析中的損耗作為熱源，將會引起溫升，反過來溫升又會影響電磁場分布和損耗。因此，為了確保盤式永磁渦流驅(qū)動器的成功設(shè)計和長時間工作，基于電磁-溫度耦合解析模型進(jìn)行電磁場解析計算與溫度場分析十分必要。

文獻(xiàn)[12]建立了三維電磁場解析模型計算渦流損耗，并預(yù)測銅盤溫度，但該解析模型僅適用于低滑差速度的情況，不適用于整個工作范圍。建立電磁-溫度耦合模型的方法有解析法和有限元法。盡管有限元法對精確計算較為有效，但該方法較為復(fù)雜、靈活性差、計算時間長。相比之下，解析法具有簡單、計算時間短、物理意義直觀等特點，適用于初步設(shè)計和基礎(chǔ)特性分析。

本文提出了盤式永磁渦流驅(qū)動器的電磁-溫度耦合解析模型，用于電磁場解析計算與溫度場分析。該解析模型適用于盤式永磁渦流驅(qū)動器的整個工作范圍。

首先，基于分離變量法建立三維電磁場解析模型，解析計算轉(zhuǎn)矩和渦流損耗。然后，建立等效熱網(wǎng)絡(luò)模型用于溫度場分析，考慮材料特性隨溫度變化，進(jìn)行電磁-溫度耦合分析。最后，進(jìn)行三維有限元分析和樣機(jī)實驗驗證，將氣隙磁場分布、轉(zhuǎn)矩、結(jié)構(gòu)參數(shù)對轉(zhuǎn)矩的影響、渦流損耗、溫度分布等電磁-溫度耦合解析模型結(jié)果與有限元和實驗結(jié)果進(jìn)行對比，證明解析方法的正確性。

圖1 盤式永磁渦流驅(qū)動器結(jié)構(gòu)

圖8? 盤式永磁渦流驅(qū)動器實驗平臺

結(jié)論

本文提出了盤式永磁渦流驅(qū)動器的電磁-溫度耦合解析模型，進(jìn)行了電磁場解析計算和溫度場分析。通過研究分析，得出以下結(jié)論：

1)在柱坐標(biāo)系下，建立了三維電磁場解析模型用于計算電磁場分布，并推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩和渦流損耗表達(dá)式。

2)建立了盤式永磁渦流驅(qū)動器等效熱網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行溫度場分析。本文提出的電磁-溫度耦合解析模型考慮材料電磁和溫度特性隨溫度變化，通過溫度迭代實現(xiàn)模型的計算。

3)基于本文提出的電磁-溫度耦合解析模型，分析了氣隙磁場分布，轉(zhuǎn)矩、渦流損耗、永磁體和銅盤溫升隨負(fù)載的變化，并分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對轉(zhuǎn)矩的影響。

4)本文對盤式永磁渦流驅(qū)動器進(jìn)行了三維有限元和實驗驗證，并將解析結(jié)果與有限元和實驗結(jié)果進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，本文提出的電磁溫度耦合解析模型是合理的、正確的，可以為盤式永磁渦流驅(qū)動器的設(shè)計和開發(fā)提供一個相當(dāng)準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

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總結(jié)

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