先进汽车缓速器理论与试验：仿真工具的使用

永磁缓速器与电涡流缓速器的最大区别在于永磁缓速器的励磁磁场是由永磁体产生的。永磁体在缓速器中既是磁源，又是磁路的组成部分。永磁体的磁性能不仅与生产厂家的制造工艺有关，还与永磁体的形状和尺寸、磁能积和充磁方法有关，具体性能参数的分散性很大，而且永磁体在缓速器中所能提供的磁通量和磁动势还随磁路其余部分的材料性能、尺寸和缓速器工作状态的不同而变化。此外，永磁缓速器磁路结构不同，漏磁路十分复杂而且漏磁通占一定的比例，铁磁性材料部分又比较饱和，磁导是非线性的。这些都增加了永磁缓速器电磁计算的复杂性，使计算结果的准确度降低。

在永磁缓速器内部客观存在多种形式的3D交变电磁场，要想准确地弄清该交变电磁场在空间的分布情况和随时间的变化规律，从而求出缓速器的动稳态性能比较困难。在现代设计方法中，随着计算机技术和电磁场数值解法的迅速发展，一般利用工程电磁场有限元分析软件对永磁缓速器内部的磁场进行分析。电磁场有限元仿真软件可利用虚拟的方法而非物理模型来模拟缓速器的工作特性。在常用CAD中建模并对设计模型进行有效仿真是在昂贵的装置制造前避免所有可能的设计错误的可行途径。由于电磁场有限元仿真软件可以对所设计系统的各种复杂情况进行快速预测，故可以大幅度缩短设计周期。同时，设计成本也大幅度降低，因为进行缓速器的制造和试验需要大量的材料和劳动力而由于仿真软件的应用，大大简化了此过程。基于有限元法，利用仿真系统所确定的场量和其他设计参数的准确度相当高。利用有限元法，电磁场方程与热场方程可以得到精确的求解，可以模拟具有复杂材料特性和复杂结构的模型，但是，场量的准确度在很大程度上取决于有限元网格的剖分以及求解系统的收敛精度。

电磁场数值分析是一门综合性的学科，涉及电磁场理论、数值分析、计算方法、计算机基础知识及高级语言等多方面，但在计算上存在着共性。有限元法是一种常用的数值方法，并有相应的电磁软件问世，目前可供选用的部分电磁场商业软件见表5-1。

表5-1 目前可供选用的部分电磁场商业软件

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电磁场数值模拟分析一般分为静态场分析和瞬态场分析。静态场指空间恒定磁场，即磁场不随时间变化，通常包括恒稳电流产生的磁场，外加静磁场，匀速移动的导体产生的磁场以及永磁体产生的磁场。瞬态场指模型中的物体处于平动或转动的情况，或者电压、电流源为非正弦激励情况。

永磁缓速器中涡流损耗会产生大量热能，影响其制动性能，导致永磁体退磁，甚至冷却液不能及时散热而导致冷却液管套破裂，引发事故。这就需要在缓速器设计阶段对各部件的电-磁-热问题进行系统地分析。永磁缓速器设计人员可能对以下几种物理量进行研究和分析，如不同转速时缓速器的制动力矩，定子涡流损耗、永磁体温度分布以及其他一些设计参数，这些都可以通过仿真工具获得。然而冷却液过热问题需要单独应用温度场与流场耦合的方法求解。这类仿真需要确定3D模型中的瞬态磁场分布以及定子上的损耗密度。基于损耗密度可以确定温升分布。瞬态磁场分布与涡流损耗可通过软件中的磁场求解器确定，温升分布则由软件中的热场求解器获得。

本节讨论在设计永磁缓速器时解决电-磁-热问题的需要，以及利用日本总研公司出品的仿真系统——JMAG-Designer，在不同环境下对缓速器进行仿真的方法。对JMAG-Designer软件的工作方式进行一般性描述，并重点研究缓速器静态磁场分布、瞬态磁场分布、感应涡流分布及其引起的温度场分布问题。JMAG-Designer是集中了电-磁-热-应力等有限元分析求解器模块进行数值分析的一套仿真软件。仿真中电磁方面的问题可用电磁模块进行分析，所有热方面的问题可用热模块进行分析。电磁模块和热模块都包含了静态场分析和瞬态场分析，针对复杂物理场问题的不同方面，可以进行电-磁-热耦合仿真，从而考虑不同物理场之间的相互作用。