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毕 业 设 计 （ 论 文 ）设 计 (论 文 )题 目 ： 基 于 ANSYS 的 盘 式 永 磁 调 速 器 的 建 模 与 磁场 分 析学 生 姓 名 ： 陆 海 燕 指 导 教 师 ： 王 庆 燕二 级 学 院 ： 机 电 工 程 学 院 专 业 ： 电 气 工 程 及 其 自 动 化班 级 ： 12电 气 单 学 号 ： 1205202030提 交 日 期 ： 16 年 5 月 15 日 答 辩 日 期 ： 16 年 5 月 18 日金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 目 录I目 录摘 要 .IIIAbstract.IV第 一 章 绪 论 .11.1 课 题 研 究 的 背 景 及 意 义 .11.2 国 内 外 的 研 究 现 状 及 发 展 前 景 .11.3 主 要 研 究 内 容 .1第 二 章 磁 场 与 永 磁 材 料 .32.1 永 磁 材 料 .32.1.1 钕 铁 硼 永 磁 材 料 .32.1.2 永 磁 材 料 磁 性 能 .42.2 磁 场 的 基 本 理 论 .62.2.1 磁 场 . 62.2.2 磁 场 中 的 基 本 物 理 量 .62.3 本 章 小 结 .8第 三 章 永 磁 调 速 器 的 工 作 原 理 及 技 术 特 点 .93.1 永 磁 调 速 器 的 工 作 原 理 及 结 构 图 . 93.2 永 磁 调 速 器 的 技 术 特 点 .103.3 本 章 小 结 . 10第 四 章 盘 式 永 磁 调 速 器 的 磁 场 仿 真 分 析 . 114.1 盘 式 永 磁 调 速 器 的 结 构 特 点 .114.2 有 限 元 分 析 介 绍 .114.2.1 有 限 元 法 介 绍 .114.2.2 ANSYS 仿 真 软 件 介 绍 .134.3 基 于 ANSYS 盘 式 永 磁 调 速 器 的 建 模 .134.3.1 盘 式 永 磁 调 速 器 三 维 模 型 的 建 立 .144.3.2 求 解 过 程 .184.4 本 章 小 结 . 22第 五 章 仿 真 结 果 与 数 据 分 析 .23金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 目 录II5.1 不 同 条 件 下 对 磁 场 的 影 响 及 分 析 . 235.1.1 不 同 转 速 下 对 磁 场 的 影 响 及 分 析 .235.1.2 不 同 气 隙 下 对 磁 场 的 影 响 及 分 析 .265.1.3 永 磁 体 不 同 级 数 下 对 磁 场 的 影 响 及 分 析 .305.2 不 同 条 件 下 对 转 矩 的 影 响 分 析 . 355.2.1 不 同 转 速 下 的 转 矩 .355.2.2 不 同 气 隙 下 的 转 矩 .365.2.3 不 同 磁 极 数 下 的 转 矩 .375.3 本 章 小 结 . 37第 六 章 总 结 .39参 考 文 献 .40致 谢 .41金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 论 文 摘 要III基 于 ANSYS的 盘 式 永 磁 调 速 器 的 建 模 与 磁 场 分 析摘 要永 磁 调 速 器 是 一 种 高 效 节 能 环 保 的 调 速 设 备 。 它 除 了 传 递 速 度 快 ， 还 有 很 多 优 势 ， 比如 安 全 可 靠 性 高 、 寿 命 长 、 维 护 成 本 较 低 、 低 故 障 率 等 等 。 它 的 应 用 十 分 广 泛 ， 比 如 发 电 、灌 溉 、 冶 金 等 多 个 不 同 领 域 。 本 课 题 介 绍 了 它 在 国 内 外 的 发 展 趋 势 及 前 景 ， 还 有 它 的 结 构和 工 作 原 理 。 永 磁 调 速 器 以 电 磁 感 应 原 理 当 做 它 的 基 础 ， 运 动 的 永 磁 体 会 产 生 磁 场 和 涡 流 ，然 后 激 发 感 应 磁 场 互 相 的 作 用 ， 因 而 来 实 现 电 机 和 负 载 之 间 的 高 效 率 且 零 接 触 的 运 转 。本 次 研 究 要 求 对 盘 式 永 磁 调 速 器 的 研 究 现 状 进 行 调 研 ， 掌 握 永 磁 调 速 器 的 基 本 结 构 特点 与 工 作 原 理 ， 掌 握 ANSYS 仿 真 分 析 软 件 前 处 理 和 后 处 理 模 块 的 功 能 。 通 过 分 析 盘 式 永 磁调 速 器 在 不 同 气 隙 下 、 不 同 转 速 下 和 不 同 磁 级 数 下 的 磁 场 分 布 和 转 矩 输 出 ， 对 分 析 对 象 在ANSYS-Maxwell 中 进 行 三 维 建 模 ， 网 格 划 分 、 边 界 条 件 加 载 、 求 解 选 项 设 置 以 及 结 果 后 处理 等 仿 真 分 析 流 程 。通 过 仿 真 结 果 的 数 据 分 析 来 看 ， 可 知 在 相 同 气 隙 厚 度 和 磁 极 数 的 情 况 下 ， 随 着 转 速 的提 高 ， 磁 场 的 磁 感 应 强 度 也 随 之 增 大 ， 从 而 拉 动 永 磁 转 子 的 磁 场 力 增 大 ， 使 得 永 磁 调 速 器的 输 出 转 矩 不 断 增 大 ， 效 率 也 随 之 提 高 。 在 气 隙 厚 度 不 同 ， 相 同 转 速 及 磁 极 数 时 ， 磁 场 的磁 感 应 强 度 与 转 矩 都 随 之 增 大 。 而 在 其 他 条 件 相 同 ， 磁 极 数 分 别 是 10个 和 12个 的 情 况 下进 行 了 对 比 ， 因 为 磁 极 数 的 增 加 导 致 相 邻 的 永 磁 体 之 间 的 间 隙 越 来 越 小 ， 使 得 磁 力 线 不 穿过 空 气 气 隙 和 铜 导 体 ， 两 个 永 磁 体 之 间 直 接 形 成 闭 合 回 路 ， 所 以 涡 流 减 小 ， 磁 感 应 强 度 和磁 场 强 度 减 小 ， 转 矩 也 随 之 减 小 。关 键 字 ：永 磁 调 速 器 、 有 限 元 法 、 磁 场 、 磁 感 应 强 度 、 永 磁 材 料金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 论 文 AbstractIVModeling and magnetic field analysis of disc type permanentmagnet speed governor based onANSYSAbstractPermanent magnetic speed regulator is a kind of high efficiency and energy saving andenvironmental protection. It has many advantages, such as high security and reliability, longservice life, low maintenance cost, low failure rate and so on. Its application is very extensive,such as power generation, irrigation, metallurgy, and other different fields. This topic introducesthe development trend and Prospect of it at home and abroad, as well as its structure and workingprinciple. The role of a permanent magnet speed regulator on electromagnetic induction theoryas its foundation, the movement of the permanent magnet experience produce a magnetic fieldand eddy current, and stimulate the induced magnetic field with each other, and thus to the motorand load between high efficiency and zero contact operation.In this research, the research status of disc permanent magnet speed governor is investigated,and the basic structure characteristics and working principle of permanent magnetic speedgovernor are mastered, and the function of ANSYS simulation analysis software is mastered.Through the analysis of disc type permanent magnet speed governor under different air gap anddifferent speed and different magnetic series magnetic field distribution and torque output, theanalysis object, in ANSYS-Maxwell three-dimensional modeling, mesh, boundary loadingcondition, solving option settings and results after processing simulation analysis process.And the more the gap between respectively, are also constantly increases through thesimulation results of data analysis, we know that in the same air gap thickness and the number ofpoles, with the speed increase, the magnetic field of the magnetic induction intensity alsosubsequently increases, thereby pulling the permanent magnetic rotor of the magnetic forceincreases, the permanent magnet speed regulator output torque and efficiency increased. In theair gap thickness is different, the same speed and the number of poles, the magnetic field of themagnetic induction intensity and torque increased. And in the other conditions are the same, thepole number 10 and 12 cases were compared, because the pole number leads to an increase in theadjacent permanent magnets, the magnetic line of force is not through the air gapA closed circuit金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 论 文 AbstractVis formed between the two permanent magnets, so the eddy current decreases, the magneticinduction intensity and the magnetic field strength decrease, and the torque is reduced.K ey words: permanent magnet speed governor, finite element method, magnetic field,magnetic induction strength, permanent magnet material金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 论 文 第 一 章 绪 论1第 一 章 绪 论1.1 课 题 研 究 的 背 景 及 意 义在 当 今 能 源 短 缺 的 世 界 ， 我 们 人 类 越 来 越 关 注 节 能 、 环 保 、 高 效 率 的 生 活 方 式 及 生 产技 术 ， 都 是 因 为 现 在 科 学 技 术 的 快 速 发 展 和 现 在 文 明 的 进 步 与 提 升 。 能 源 是 当 今 社 会 经 济发 展 的 重 大 方 针 ， 而 电 机 传 动 的 节 能 潜 能 巨 大 ， 所 以 需 要 我 们 更 深 层 次 的 研 究 。永 磁 调 速 器 又 被 称 为 永 磁 磁 力 耦 合 调 速 器 ， 它 是 以 磁 力 耦 合 技 术 为 基 础 的 ， 是 通 过 调节 导 体 盘 和 永 磁 体 之 间 的 空 气 气 隙 来 实 现 电 动 机 到 负 载 的 转 矩 传 输 的 一 种 调 速 装 置 。 永 磁调 速 器 可 以 实 现 电 动 机 和 负 载 间 的 无 机 械 链 接 传 动 。 在 旋 转 机 械 中 ， 设 备 的 驱 动 侧 与 被 驱动 侧 无 机 械 连 接 ， 转 矩 的 产 生 是 由 一 侧 的 稀 土 强 永 磁 体 与 另 一 侧 的 感 应 磁 场 互 相 作 用 ， 然后 通 过 调 节 永 磁 体 和 铜 导 体 之 间 的 空 气 气 隙 可 以 精 确 地 控 制 传 递 转 矩 ， 从 而 调 节 负 载 速度 。 虽 然 变 频 技 术 可 以 无 级 调 速 ， 但 是 它 的 可 靠 性 还 有 待 提 高 ， 对 电 网 谐 波 污 染 大 ， 容 易出 现 运 行 故 障 导 致 生 产 中 断 ， 所 以 还 是 存 在 诸 多 缺 陷 的 。 永 磁 调 速 器 利 用 永 磁 驱 动 技 术 实现 了 驱 动 与 调 速 ， 可 以 实 现 无 级 平 滑 的 调 速 且 高 效 节 能 ， 结 构 简 单 可 靠 ， 维 护 成 本 低 。 对电 网 无 污 染 ， 且 工 作 时 可 实 现 带 缓 冲 的 软 启 动 ， 有 过 载 保 护 等 功 能 。 而 且 该 装 置 也 不 需 要再 供 电 源 ， 能 很 好 的 适 应 各 种 恶 劣 的 环 境 ， 并 且 磁 场 影 响 输 出 功 率 ， 所 以 很 有 必 要 对 磁 场分 布 再 做 进 一 步 的 研 究 。1.2 国 内 外 的 研 究 现 状 及 发 展 前 景美 国 的 相 关 科 研 人 士 在 1995 年 已 经 开 始 研 发 导 体 盘 与 永 磁 体 的 相 对 运 动 ， 并 且 产 生涡 流 ， 涡 流 产 生 感 应 磁 场 与 永 磁 磁 场 相 互 作 用 ， 使 得 连 接 负 载 和 电 机 实 现 电 动 机 的 高 效 运行 。 研 发 出 来 的 成 品 就 叫 永 磁 磁 力 耦 合 器 。 之 后 ， 1999 年 美 国 的 MagnaDrive 公 司 在 磁 力驱 动 技 术 上 获 得 了 突 破 性 发 展 ， 并 且 提 出 了 一 种 永 磁 磁 力 耦 合 调 速 驱 动 器 ， 即 永 磁 调 速 器 ，并 且 获 得 了 专 利 。 之 后 众 多 领 域 得 到 了 广 泛 的 应 用 。在 国 内 关 于 永 磁 调 速 产 品 有 一 家 叫 艾 凌 节 能 有 限 公 司 ， 它 是 南 京 的 一 家 专 门 研 究 永 磁调 速 系 统 的 开 发 、 设 计 、 生 产 的 企 业 。 同 时 ， 在 国 内 艾 凌 是 第 一 家 专 业 从 事 永 磁 调 速 研 究 、生 产 应 用 的 企 业 。 因 此 它 对 国 内 研 究 永 磁 调 速 器 起 了 重 大 的 推 动 作 用 ， 也 为 各 个 研 究 工 作者 提 供 了 宝 贵 的 参 考 意 见 。虽 然 现 在 永 磁 产 品 技 术 很 多 ， 如 变 频 器 、 液 压 调 速 。 但 是 永 磁 调 速 器 也 有 很 多 优 点 ，如 能 源 利 用 率 高 ， 节 能 减 排 效 果 好 ， 维 护 费 低 ， 安 装 方 便 等 等 ， 随 着 永 磁 技 术 的 发 展 ， 它将 会 在 更 多 的 领 域 得 到 广 泛 的 运 用 。1.3 主 要 研 究 内 容通 过 对 盘 式 永 磁 调 速 器 的 研 究 现 状 进 行 调 研 ， 进 一 步 学 习 并 掌 握 永 磁 调 速 器 的 基 本 结构 特 点 与 工 作 原 理 ， 利 用 ANSYS 仿 真 分 析 软 件 前 处 理 和 后 处 理 模 块 的 功 能 ， 结 合 分 析 对金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 论 文 第 一 章 绪 论2象 进 行 几 何 建 模 ， 网 格 划 分 、 载 荷 和 边 界 条 件 加 载 、 求 解 选 项 设 置 以 及 结 果 后 处 理 等仿 真 分 析 流 程 。 选 取 合 适 单 元 对 盘 式 永 磁 调 速 器 进 行 三 维 磁 场 的 仿 真 分 析 ， 并 分 析 盘 式 永磁 调 速 器 在 不 同 转 速 下 的 磁 场 分 布 和 转 矩 输 出 ， 为 永 磁 调 速 器 的 磁 场 研 究 提 供 理 论 依 据 。本 论 文 主 要 工 作 ： 第 一 章 主 要 介 绍 了 永 磁 调 速 器 的 背 景 及 发 展 趋 势 ； 第 二 章 详 细 的 说明 了 磁 场 的 各 个 物 理 量 和 永 磁 调 速 器 的 永 磁 材 料 ； 第 三 章 介 绍 了 永 磁 调 速 器 的 几 种 类 型 ，以 及 盘 式 永 磁 调 速 器 的 结 构 和 工 作 原 理 ； 第 四 章 主 要 是 盘 式 永 磁 调 速 器 的 建 模 过 程 ， 包 括几 何 模 型 建 立 ， 划 分 网 格 ， 施 加 边 界 条 件 等 过 程 ； 第 五 章 通 过 仿 真 出 来 的 结 果 进 行 数 据 分析 ， 分 析 各 种 不 同 条 件 下 的 磁 场 对 转 矩 的 影 响 。金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 论 文 第 二 章 磁 场 与 永 磁 材 料3第 二 章 磁 场 与 永 磁 材 料2.1 永 磁 材 料永 磁 材 料 是 一 种 磁 性 材 料 ， 所 以 它 的 应 用 也 极 为 广 泛 ， 当 今 社 会 各 行 各 业 都 非 常 需 要这 种 功 能 材 料 。 它 主 要 用 来 存 储 磁 能 ， 为 大 量 仪 器 设 备 提 供 磁 场 。 随 着 永 磁 材 料 的 发 展 ，常 用 的 永 磁 材 料 有 铝 镍 钴 、 钡 铁 氧 体 、 锶 铁 氧 体 、 钐 钴 、 钕 铁 硼 。 而 钕 铁 硼 在 民 用 和 工 业中 非 常 快 速 的 得 到 了 运 用 都 是 因 为 钕 铁 硼 的 磁 性 能 很 高 。永 磁 转 子 是 永 磁 调 速 器 中 的 核 心 部 分 ， 所 以 永 磁 体 的 材 料 特 点 会 直 接 影 响 调 速 器 的 性能 。 因 此 ， 永 磁 材 料 的 选 择 至 关 重 要 。 本 文 选 取 得 材 料 就 是 钕 铁 硼 材 料 。2.1.1 钕 铁 硼 永 磁 材 料在 磁 性 材 料 中 ， 钕 铁 硼 剩 磁 强 度 高 达 1.47T， 磁 感 应 矫 顽 力 达 992KA/m。 它 的 最 大 磁能 积 为 397.9KJ/ ,其 居 里 温 度 不 高 ， 但 目 前 它 仍 然 是 综 合 磁 性 能 最 好 的 永 磁 材 料 。 中 国的 稀 土 资 源 很 丰 富 ， 钕 在 稀 土 中 的 含 量 是 钐 的 十 几 倍 。 所 以 ， 它 在 用 此 机 构 中 得 到 了 很 广泛 的 运 用 。 这 也 是 为 什 么 选 择 钕 铁 硼 作 为 永 磁 调 速 器 中 永 磁 转 子 的 励 磁 源 。 在 不 同 的 温 度下 ， 钕 铁 硼 永 磁 体 的 内 禀 退 磁 曲 线 和 退 磁 曲 线 如 图 2-1所 示 :图 2-1 钕 铁 硼 永 磁 体 的 内 禀 退 磁 曲 线 和 退 磁 曲 线对 于 非 常 高 的 矫 顽 力 钕 铁 硼 永 磁 材 料 ， 内 禀 矫 顽 力 可 大 于 2000KA/m， 在 国 内 有 些 厂家 已 经 有 试 制 的 产 品 了 ， 它 的 退 磁 曲 线 在 150 时 仍 然 为 直 线 。 表 2-1 给 出 了 国 产 的 钕 铁硼 永 磁 材 料 N35的 主 要 性 能 参 数 。 表 2-1 钕 铁 硼 N35 的 主 要 性 能 参 数3m金 陵 科 技 学 院 学 士 学 位 论 文 第 二 章 磁 场 与 永 磁 材 料42.1.2 永 磁 材 料 磁 性 能（ 1） 磁