涡流式永磁调速器磁热场分析及散热研究

摘要

筒式永磁调速器具有软启动与过载保护、对中安装要求低、振动与噪声小、使用寿命长、调速范围广及节能效果显著等诸多优点，但筒式永磁调速器主要部件在某些运行工况下发热严重，影响永磁调速器正常工作。所以，本文对筒式永磁调速器运转过程中的温度场分布及散热情况进行研究就显得十分重要了。 首先对电磁场基本理论进行了分析、推导，并基于这些理论利用ANSYS Workbench17.1软件中的Maxwell2D和Maxwell3D模块对筒式永磁调速器的磁、涡流场进行了二维和三维有限元仿真分析。通过后处理结果对筒式永磁调速器磁感线、磁感应强度分布情况及铜环中涡电流分布情况进行了研究，并将铜环中涡流生成的热量作为筒式永磁调速器温度场分析的直接热源；对输出转矩、输出功率、涡流损耗功率随啮合面积、转差率的变化情况进行了分析，并对磁、涡流场二维、三维仿真结果进行了对比分析。 在对工程传热学基本理论进行分析的基础上，利用ANSYS Workbench17.1软件中的Maxwell3D、Steady-state Thermal和Transient Thermal模块对筒式永磁调速器的稳态和瞬态温度场进行了磁热耦合有限元仿真分析。通过瞬态温度场仿真结果对筒式永磁调速器各部件的升温过程进行了研究；通过稳态温度场仿真结果对筒式永磁调速器各部件温度达到稳定状态时的分布情况进行了研究，并对铜环、永磁块最高温度随啮合面积、转速差的变化情况进行了分析；最后对瞬态、稳态温度场仿真结果进行了对比分析。 为对筒式永磁调速器磁场、温度场有限元仿真结果的准确性进行验证，设计了筒式永磁调速器输出转矩及铜环、永磁块温度测量系统。对实验系统的组成与搭建进行了详细介绍，并对实验测量过程进行了具体的分析。实验后，将筒式永磁调速器在不同运行工况下的输出转矩实测值及铜环、永磁块最高温度实测值与有限元仿真结果进行对比分析，验证了本文用有限元方法对筒式永磁调速器磁场、温度场进行研究的准确性。 最后，在对筒式永磁调速器磁热耦合分析的基础上，利用ANSYS Workbench17.1软件中的Maxwell3D、Steady-state Thermal和Response Surface Optimization模块对筒式永磁调速器直肋和圆弧肋两种散热片结构进行了优化分析。优化后，采用直肋散热片进行散热，铜环、永磁块最高温度相比于优化前分别降低26.5%、20.9%，采用圆弧肋散热片进行散热，铜环、永磁块最高温度相比于优化前分别降低43%、33.9%。

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变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 永磁调速技术概述

1.2.1 永磁调速器的分类

1.2.2 盘式与筒式永磁调速器对比

1.3 永磁调速技术国内外研究现状

1.3.1 结构及磁路设计的研究

1.3.2 磁场和传动特性的研究

1.3.3 涡流及温度场的研究

1.3.4 结构优化设计的研究

1.3.5 节能改造实际应用的研究

1.4 本文主要研究内容

2 永磁调速器磁、涡流场分析

2.1 磁驱动原理受力分析

2.2 电磁、涡流场理论分析

2.2.1 麦克斯韦方程组

2.2.2 电磁场边界条件

2.3 电磁、涡流场有限元分析

2.3.1 二维、三维有限元模型的建立

2.3.2 磁场、涡流场仿真结果分析

2.4 本章小结

3 永磁调速器磁热耦合分析

3.1 温度场理论分析

3.2 稳态、瞬态温度场有限元分析

3.2.1 稳态、瞬态场三维有限元模型的建立

3.2.2 温度场仿真结果分析

3.3 本章小结

4 永磁调速器实验研究

4.1 实验内容与实验系统设计

4.2.1 实验平台的搭建与测量

4.2.2 实验结果分析

4.3 铜环、永磁块温度验证实验

4.3.1 实验平台的搭建与测量

4.3.2 实验结果分析

4.4 本章小结

5 永磁调速器散热结构优化分析

5.1 散热结构优化流程

5.1.1 优化参数的确定

5.1.2 响应面分析

5.1.3 基于遗传算法的优化

5.2 直肋散热片优化

5.2.1 仿真优化模型的建立

5.2.2 试验设计结果分析

5.2.3 响应面结果分析

5.2.4 多目标优化结果分析

5.3.1 仿真优化模型的建立

5.3.2 响应面结果分析

5.3.3 多目标优化结果分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

作者简历

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