捕获永磁电机设计中的涡流损耗

Bridget Cunningham 2017年 5月 4日

永磁电机在各类高端产品应用中发挥着重要作用,不过其自身会遇到很多设计限制。举例来说,永磁电机对高温十分敏感,而高温来源于电流——准确地说是涡电流产生的热损耗。COMSOL® 软件 5.3 版本提供了捕获永磁电机的涡流损耗的功能。利用计算结果,工程师可以全面准确地了解永磁电机的特性,并据此提出适合的性能优化方法。

永磁电机为高端应用提供动力

节能减排是全球各行业的共同目标。以运输行业为例,中国去年刚刚引入了新型的高速地铁系统,节约了大量能源;芬兰最早运营的轮渡用电气化设备替换了柴油机;在伦敦,一家知名豪华品牌推出了首款纯电动汽车

上述示例表明,运输行业正在向着更加绿色环保的方向演变。正因如此,永磁(permanent magnet,简称 PM)电机——这一能够协助变革实现的特殊设备就显得尤为重要了。永磁电机中使用了磁体来代替转子线圈,为各种高端应用提供动力,其中最知名的案例当属电动汽车和混合动力汽车。

Electric cars 捕获永磁电机设计中的涡流损耗
电动汽车是永磁电机的应用案例之一。图像由 Mariordo拍摄。已获 CC BY-SA 2.0 许可,通过 Wikimedia Commons 共享。

尽管永磁电机在节能方面具有重要的应用价值,但也存在一些必须解决的设计限制。例如,永磁体对高温很敏感。当电流——准确而言是涡电流产生热损耗时,过温问题便会出现。虽然将转子的钢/铁材料压制成叠片有利于减少这些区域的涡电流,但是其制造局限却难以克服。综上所述,永磁体将承受相当严重的发热。

下面,让我们来看看 COMSOL Multiphysics® 5.3 版本中提供的一个全新教学模型,它可用于捕获永磁电机中的涡流损耗。

使用 COMSOL Multiphysics® 模拟永磁电机中的涡流损耗

我们首先从观察模型的几何结构开始。在此案例中,我们建立了 18 极永磁电机的三维模型。为了减少计算量并捕获电机的全三维特性,我们利用了扇区对称和轴向镜像对称。

下方动画展示了完整的电机设计,其中包括转子和定子铁芯(灰色)、定子绕组(铜色)和永磁体(蓝色或红色,取决于磁化方向是否为径向)。

 

永磁电机的结构。

我们利用安培定律来模拟转子的导电部分;对于转子和定子的不导电部分,则可以利用磁标势的磁通量守恒。

借助专用于旋转机械的内置物理接口,我们很容易模拟电机的旋转运动。此外,我们特意模拟了几何结构的中部,它包括转子与转子嵌入的空气间隙区域,让其相对定子的坐标系旋转。要注意的是,因为转子和定子是两个独立的几何实体,所以此案例需要运用装配体。

为了计算并存储磁体内涡流损耗密度随时间的变化情况,我们使用了一个附加变量。此变量没有包含在模型中,不过在后续的传热分析中它可以被用作时均分布热源。由于热时间尺度往往远远大于涡流损耗的时变,为了提高计算效率,机电分析和热分析通常有必要分开进行。

计算仿真结果

基于第一个绘图中的结果,我们可以直观地掌握电机在瞬态仿真初始条件(稳态)下的磁通密度。在初始状态下,线圈电流为零。右侧绘图显示了当电机旋转了一个扇形角后的磁通密度。为了方便观察,我们可以排除空气域和线圈域。

magnetic flux density at rest simulation 捕获永磁电机设计中的涡流损耗
magnetic flux density after revolution 捕获永磁电机设计中的涡流损耗

左图:稳态下电机的磁通密度;右图:当电机旋转了一个扇形角后的磁通密度。

下方绘图显示了磁体中的涡流损耗是如何随着时间变化的。右侧的动画展示了当电机旋转一个扇形角之后,磁体中的涡流损耗密度,其中箭头表示涡流密度。

time evolution of eddy current losses plot 捕获永磁电机设计中的涡流损耗

 

左图:涡流损耗随时间的变化情况。右图:当电机旋转了一个扇形角之后的涡流损耗密度。

根据上文,尤其是捕获磁体内的涡流损耗,让我们对永磁电机的特性有了更深入的理解。这些信息是可靠的实用资源,有助于改进永磁电机的设计,进而改进永磁电机的动力提供技术。

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