両面永久磁石 (DSPM) ラジアル磁束渦電流カプラーの損失解析

序章

渦電流カプラーは、渦電流の原理に基づいて動作する非接触結合システムであり、近くの変化する磁場によって導体内に循環電流が誘導されます。この誘導電流は、磁場源 (巻線または PM によって作成される) に対抗する磁場を作成します。電気モーターおよび発電機では、渦電流は望ましくなく、可能な限り低減することを目的としています。しかし、これは渦電流ベースのカプラには当てはまりません。導体とソース (PM アレイ) の間で生成された力により、導体は PM ソースの動きに追従できます。これらの力により、2 つの回転機械システム間のトルク伝達が、具体的な接触なしで確実に行われます。

本論文では、両面永久磁石 (DSPM) 構成の場合のラジアル型渦電流カプラーを検討します。図 1 は、DSPM カプラーの実際のプロトタイプと幾何学的設計を示しています。これは、2 つの同心円状の放射状に分極された PM 配置で構成され、磁化の方向が交互になっています。内側と外側の鉄ヨークが PM 配列を支えており、その間に導体の円筒形シートが配置されています。

DSPM渦電流カプラの試作品

図 1 - DSPM 渦電流カプラーのプロトタイプ [1|

図 2 - a)- 正面図および b)- 調査対象の渦電流カプラーの等角 3D ビュー。

使用する材料を次の表にまとめます。

表 1 -材料特性

材料	透磁率	電気伝導性 (S/m)	残存保磁力
鉄	4000	10	-
PM-NdFeB	0.823	0	1.4T 1353000A/m
Stainless Steel 304	1	1.37E+6	-

結果

EMS 過渡磁気ソルバーを SOLIDWORKSモーションに連成し、このシミュレーションを使用して、75 ミリ秒のシミュレーション時間で 800 rpm の角速度が PM ローターに適用されたときのトルクと渦損失量を予測しました。渦電流解析による過渡磁気シミュレーションを次に示します。

図 3 a) と b) は、検討対象のカプラー全体の磁束と磁場密度ベクトルを示しています。図 4 は、時間=75 ミリ秒での磁場強度を示しています。

(a)

(ロ)

図 3 - a)- コンタープロットの断面図と b)- 時間に対する磁束密度のベクトルアニメーション

図 4 - t=75ms での磁場マップのフロントフリンジプロット

回転子によって生成される移動磁界により、渦電流が導体部分の内部に誘導されます。導体全体のこれらの電流のベクトルプロットは、各磁極に面し、PM の磁化方向に従ういくつかの電流ループを示しています。
速度が一定であるため、図 5 のアニメーションに示すように、シミュレーション時間中、渦電流は比較的変化しません。

(a)

図 5 - a) 渦電流対時間の GIF アニメーション、および b) 表面電流ループのベクトルプロット

最初の 2D プロット (図 6a) は、4800 Deg/s の値を持つ PM ローターの一定の角速度を示しています。金属チューブ内で生成される渦電流は、移動する PM の逆方向に作用する電磁トルクを生成します。次の 2D プロット (図 6b) は、平均値が 58.5E-3 Nm 前後の時間に対する誘導トルクを示しています。

(a)

(ロ)

図 6 - a) Pm ローターの角速度と b) 伝導管全体で生成されたトルクの 2D プロット。

金属表面の渦電流には、主に2つの側面があります。渦電流の一部は誘導磁場を生成し、別の部分は熱として放散されます。渦損失解析は、次の 2D プロットに示すように、導電部全体で誘導される固体損失を予測しました。平均値は 5.75 W です。図 7 は、固体損失を時間の関数として示しています。得られた結果は、参考文献 [2] で言及されている解析結果と実験結果 (それぞれ 5.98W と 5.9W) とよく一致しています。

図 7 -時間に対する固体損失の結果。

固体損失は、隣接する渦電流ループの接合部に主に集中します。これは、t=75ms での導電部分全体の固体損失密度の次のフリンジプロット (図 8) によってよく示されます。

図 8 -固体損失密度

結論

この検討を通じて、EMSツールは、定常状態条件下でのラジアル磁束渦電流PMカプラーの磁束密度分布、誘導電流、渦損失、および生成されたトルクを予測することを可能にしました。得られた結果は、参考で検討された 3D 分析分析の検証に役立ちました [2]。誘導損失の推定により、EMS ツールに基づく今後の作業で、そのようなデバイスの熱挙動を実行できるようになります。

参考文献

[1]. Erasmus, Abraham Stephanus. Analytical modelling and design optimization of the Eddy Current Slip Coupler. Diss. Stellenbosch: Stellenbosch University, 2017.
[2] . Zhu, Zina, and Zhuo Meng. "3D analysis of eddy current loss in the permanent magnet coupling." Review of Scientific Instruments 87.7 (2016): 074701.

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