毕业设计（论文）-磁通切换永磁直线电机设计与分析.doc

J I A N G S U U N I V E R S I T Y本 科 毕 业 论 文磁通切换永磁直线电机设计与分析Design and Analysis of Flux Switching Permanent Magnet Linear Motor 学院名称： 电气信息工程学院 专业班级： 自动化0802 学生姓名： 房卓娅 指导教师姓名： 赵文祥 指导教师职称： 副教授 2012年 06 月1摘 要磁通切换永磁直线电机设计与分析专业班级：自动化0802 学生姓名：房卓娅指导老师：赵文祥 职称：副教授摘要 磁通切换永磁直线电机是一种新型结构的电机，克服了传统电机的诸多缺点，该电机结构简单，体积小，效率高，响应快，精度高，安全性高，又便于维修和检测，因此在各个领域都得到广泛的应用，具有较好的应用前景。本文以磁通切换永磁直线电机为研究对象，介绍了基本的电机拓扑结构，在掌握其基本的工作原理的基础上，研究该类电机的发展状况以及国内外的研究现状，以及简单的理解由旋转电机变为直线电机的由来。随后介绍了永磁电机，以及永磁电机的基本分类，又介绍了磁通切换原理和直线电机的工作原理。本文具体介绍了所使用的Ansoft的软件，介绍了建立一个模型的具体流程，所需数据，以及电机材料；后又对反电势波形，定位力矩波形，绕组磁链波形，磁力线波形，磁通密度分布图的观察。本文提出了参数化有限元模型的思想，用Ansoft软件建立了该电机参数化有限元分析模型，分析某些参数对电机反电势的影响，本文重点讲述气隙长度对反电势幅值的影响，得出结论气隙长度越长，反电势幅值越小，并且反电势幅值与气隙长度成线性变化。本文还提出了以后需要深入研究的问题。通过初步的研究和分析，为该电机的进一步深入研究和开发应用奠定了基础。关键词 直线电机 永磁电机 磁通切换 电机模型 仿真Design and Analysis of Flux Switching Permanent Magnet Linear Motor Abstract Flux-switching permanent magnet linear motor is a novel machine, which has a bright future by overcoming the shortages of the traditional machines having magnets in the mover. It is widely applied in transport systems due to the advantage of small size, light weight, easy to control, fast action, accurate position. A novel permanent magnet flux-switching linear motor is investigated in this thesis. It is cost-effective, since the magnets and coils are both set in the mover, while the long stator is only made of laminated iron core. This simple motor structure costs much lower than other conventional types. Finite element analysis shows that, with proper design, the performance can be improved. The keys of the theoretical and technical issue about flux-switching permanent magnet linear motor are deeply and systematically studied, including the operation principle, finite element analysis, static characteristics,design procedure,mathematic model, simulation and comparison with other traditional machines. In addition, specific description of Ansoft is also described in this article. It includes building a model processes. Hence, the flux-linking, back EMF, cogging torque, winding inductance and torque are deduced. We learn a new stator permanent magnet flux switching linear motor. After grasping the basic working principle, a parameterized finite element model is developed. Analysis of certain parameters on the back EMF, especially the impact of the air gap length of the back EMF. It can be concluded that the longer the air gap length, the smaller the back EMF. The the results lay a foundation for the further research and development of the flux-switching permanent magnet linear motor drive.Key words linear machine PM machine Flux-switching motor model simulation1目 录目 录第一章 绪 论11.1 直线电机的概述11.1.1 直线电机的简介11.1.2 直线电机研究现状及发展趋势21.2 本章小结3第二章 磁通切换永磁直线电机原理与应用62.1 永磁电机62.1.1 引言62.1.2 永磁电机的发展62.1.3 永磁电机的分类62.2 直线电机的基本结构72.3 磁通切换原理102.4 直线电机工作原理112.5 磁通切换永磁直线电机的应用及其优势122.5.1 直线电机的应用122.5.2 永磁直线电机在轨道交通方面的优势122.6 本章小结13第三章 磁通切换永磁直线电机的有限元分析143.1 有限元原理143.2 有限元软件Ansoft Maxwell的介绍153.3 电机仿真模型的建立163.3.1 建立几何模型163.3.2 定义材料和加载激励源163.3.3 激励源与边界条件定义及加载193.3.4 运动选项设置213.3.5 求解选项参数设定223.3.6 求解及后处理243.3.7 保存结果退出243.4 本章小结24第四章 电机模型的建立及仿真结果254.1 电机模型及实验结果254.2 电机气隙尺寸对反电势的影响274.3 电机气隙长度与漏磁及反电势的关系284.4 本章小结31第五章 总结和展望315.1 全文总结315.2 课题展望31致 谢32参考文献331第一章 绪 论第一章 绪 论1.1 直线电机的概述直线电机是一种将电能直接转换成直线运动的机械能的动力装置，一改以往以链条、钢丝绳、传送带、齿条丝杠和蜗轮蜗杆等传统的中间转换环节，克服了传统机械转换机构的传动链长、体积大、效率低、响应慢、精度低等缺陷。正是由于直线电机的最大优点是取消了从电机到工作台之间的一切中间环节，把工作台进给传动链的长度缩短为零，因此称为“零传动”或“直接驱动”技术。直线电机直接驱动技术是20世纪下半叶出现的具有新理论、新原理的新技术，它将和计算机技术一样在工业、军事、民用等领域中得到广泛的应用。1.1.1 直线电机的简介直线电机发展的起点并不比旋转电机晚很多，在世界上出现旋转电机后不久，就出现了直线电机的雏形，但是直线电机的发展过程是曲折的。1840年英国人惠斯顿发明了世界上第一台直线电机，但这种直线电机由于气隙过大而导致效率很低，未获成功。到20世纪中叶，随着控制、电子、材料等技术的发展，为直线电机的开发提供了理论和技术上的支持，直线电机开始进入新的发展阶段。英国的E.R. Laithwaite教授是现代直线电机发展的先驱，他强调直线电机的基础研究，以他为首的研究小组取得了不少的重要成果。其他代表人物还有日本的山田一教授，他撰写了多本有关直线电机的著作1-3。20世纪70年代以后，直线电机应用的领域更加广泛，如自动绘图仪、液态金属泵、电磁锤、轻工机械、家电、空气压缩机和半导体制造装置等。由于直接驱动进给系统具有传统进给系统无法比拟的优点和潜力，且随着矢量控制理论的发展和微电子器件与控制技术的进步，以及高性能永磁材料的发展和价格的降低，直线电机的研究再次受到各国的重视4。近些年来，国内外直线电机的发展动向可总结为三个方面，即：一是向高速、高精度方面发展；二是向大推力、大容量方面发展；三是向物流设备方面发展。直线电机在高速、高精度方面的发展首推在现代机床业中的应用。传统机床的驱动装置依赖丝杆驱动，丝杆驱动本身就具有一系列不利因素，包括：长度限制、机械背隙、磨擦、扭曲、螺距一周期误差、较长的振动衰减时间、与电机的耦合惯量以及丝杠的轴向压缩等。所有这些因素均限制了传统驱动装置的效率和精度。当设备磨损时，必须进行不断地调节以确保所需精度。直线电机驱动技术可以保证相当高的性能水准以及比传统的将旋转运动转化为直线运动的电机驱动装置具备更高的效率和简便性，具有传统驱动装置无法达到的高速、高精度。近些年来，直线电机除在高速、高精度方面的发展较快以外，在大推力、大容量方面的发展也是比较快的。其应用领域如：八十年代开始在加拿大、日本、美国、马来西亚等应用的直线电机城轨交通5(地铁和轻轨)，现在发展很快，特别在日本和中国。应用直线电机驱动的城轨交通，其优势主要体现在以下几点，即：（1）同样容量，降低车体高度，减小隧道面积，成本减少，土地节约；（2）爬坡能力强，转弯半径小，土建减少，成本降低，选线、换乘方便；（3）非接触牵引，节能，噪音低；（4）列车加减速度快，效率高；（5）维护量少，运营成本低；（6）与传统地铁比，除机车底部有所变化外，总的建造模式基本不变；（7）长期的安全运行纪录。温哥华空中列车在14年的时间里安全运送乘客4.5亿人次，运行里程超过10亿公里。直线电机在各种物料传输和搬运方面具有独特的优势。主要体现在结构简单、运行可靠、成本低、效率与智能化程度高等。目前在垂直传输方面如直线电机电梯、升降机；在平面传输方面如邮政包件分拣传输线，各种行李分拣传输线，钢材生产传输线，电气、电子、机械加工生产线，食品加工线，制药生产线等各种工业加工线和各种检测线；还有商场、医院等场合的物料传输、搬运以及立体仓库的搬运，汽车库的搬运调度等等，不一而举。1.1.2 直线电机研究现状及发展趋势直线电机不仅广泛应用于工业、交通运输业、军事装备业，而且也逐渐进入到人们的日常生活中。例如：磁悬浮列车就是直线电机在交通运输业中的典型应用6，在军事上，人们利用直线电机制成了各种电磁炮7-8，并试图将直线电机用于导弹、火箭的发射9-12；在工业领域，如用于冶金工业中的电磁泵、液态金属搅拌器；采油工业中的直线电机抽油系统13；在纺织工业中，直线电机驱动的电梭子，割麻装置以及各种自动化仪表和电动执行机构；在物料输送与搬运方面，在垂直输送方面有直线电机电梯、升降机；在平面输送方面有直线电机驱动的邮政包件分拣输送线、行李分拣输送线、钢材生产输送线、电气、电子、机械加工生产线、食品加工线、制药生产线等各种工业加工线、装配线、检测线，商场、医院等场合的物料输送及立体仓库的搬运、立体汽车库的调度等；在民用与建筑业方面，直线电机还被用于门、窗、电梯等民用装置上14。当前制造业向着高速、高精度方向发展，如电子制造工艺（硅微细加工工艺）和微系统制造技术15（如MEMS微制造、微流控芯片微制造等）需要亚微米级的精度：在纳米技术开发与应用方面，纳米级、亚纳米级的定位精度迫在眉睫。直线电机直接驱动系统正是适应了上述需要在高速高精度的机械制造装备与大行程超高精密的电子制造工程领域得到了广泛的关注与开发应用16。早期的直线电机以感应电机为主，但在上世纪90年代以来，随着永磁材料17性能的不断提高和完善，特别是钱铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善、价格的逐步下降以及电力电子技术的进一步发展，对旋转永磁电机研究开发经验的逐步成熟，永磁直线电机得到了大量的研究开发与应用，形成了直线电机直接驱动伺服单元以直线感应电机和永磁直线电机为主的局面。近些年以来，随着稀土永磁材料18、电磁场数值计算、智能控制理论及微机技术的出现和不断发展，永磁直线电动机一作为一种新颖的驱动或推进装置，逐步成为学术研究和开发应用的热点。它不需要电励磁，省去了励磁线圈和励磁电源，不存在励磁损耗，提高了电机的效率，减低了电机的温升，冷却要求减低，同时也简化了直线电机磁极的结构，结构轻，单位尺寸出力大，惯性低，响应快.对长定子动磁极的直线电机非常合适，因为磁极不需要外加励磁电源。钦铁硼永磁具有强磁力和高娇顽力，大磁动势和高气隙密度，在减少电机体积和重量的同时可增加电机的出力.随后稀土材料性能的提高、价格的降低，电力电子器件价格的降低，永磁直线电机的性价比将越来越好，也逐渐被工业界广泛采用。因此，永磁直线电机19是直线电机中的重点，也是发展的方向。1.2 本章小结本章主要介绍了直线电机的研究背景，发展历史，以及国内外研究现状，在此基础上，引入课题研究对象，为下章磁通切换永磁直线电机的研究做好基础准备。1毕业论文第二章 磁通切换永磁直线电机原理与应用2.1 永磁电机2.1.1 引言电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场，可以有两种方法。一种是在电机绕组内通电流产生，既需要有专门的绕组和相应的装置，又需要不断供给能量以维持电流流动，例如普通的直流电机和同步电机；另一种是由永磁体来产生磁场，既可简化电机结构，又可节约能量，这就是永磁电机。2.1.2 永磁电机的发展永磁电机的发展同永磁材料的发展密切相关。我国是世界上最早发现永磁材料的磁特性并把它应用于实践的国家，两千多年前，我国利用永磁材料的磁特性制成了指南针，在航海、军事等领域发挥了巨大的作用，成为我国古代四大发明之一。19世纪20年代出现的世界上第一台电机就是由永磁体产生励磁磁场的永磁电机。但当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石（Fe3O4），磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大，不久被电励磁电机20所取代。随着各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明，人们对永磁材料的机理、构成和制造技术进行了深入研究，相继发现了碳钢、钨钢、钴钢等多种永磁材料。特别是20世纪30年代出现的铝镍钴永磁和50年代出现的铁氧体永磁，磁性能有了很大提高，各种微型和小型电机又纷纷使用永磁体励磁。永磁电机的功率小至数毫瓦，大至几十千瓦，在军事、工农业生产和日常生活中得到广泛应用，产量急剧增加。相应地，这段时期在永磁电机的设计理论、计算方法、充磁和制造技术等方面也都取得了突破性进展，形成了以永磁体工作图图解法为代表的一套分析研究方法。但是，铝镍钴永磁的矫顽力偏，铁氧体永磁的剩磁密度不高，限制了它们在电机中的应用范围。一直到20世纪60年代和80年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁相继问世，它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电机，从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时期。2.1.3 永磁电机的分类常规永磁电机通常分为以下五类：永磁直流电动机、异步起动永磁同步电机、永磁无刷直流电动机、调速永磁同步电动机和永磁同步发电机。永磁直流电动机与普通直流发电机结构上的不同在于前者取消了励磁绕组和磁极铁心，代之以永磁磁极，具有结构简单、可靠性高、效率高、体积小、重量轻的重点。绝大多数永磁直流电动机是微型电动机，在电动玩具、家用电器、汽车工业中得到了广泛的应用，其中在汽车工业中的应用发展最快，每台轿车上有几十台电机，除发电机外，基本上都是永磁直流电机。无刷直流电机和调速永磁同步电机结构上基本相同，定子上为多相绕组，转子上有永磁体，它们的主要区别在于无刷直流电机根据转子位置信息实现自同步。它们的优点在于：（1）取消了电刷换向器，可靠性提高；（2）损耗主要由定子产生，散热条件好；（3）体积小，重量轻。异步起动永磁同步电动机与调速永磁同步电动机结构上的区别是：前者转子上有起动绕组或具有起动作用的整体铁心，能实现自启动，无需控制系统即可在电网上运行。永磁同步发电机与电励磁同步发电机在结构上的不同在于前者采用永磁头建立磁场，取消了励磁绕组、励磁电源、集电环和电刷等，结构简单，运行可靠。若采用稀土永磁，可以提高气隙密度和功率密度，具有体积小、重量轻的优点。2.2 直线电机的基本结构图2-1所示的a和b分别表示了一台旋转电机和一台直线电机。（a）旋转电机 （b）直线电机图2-1 旋转电机和直线电机示意图直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的周围展成直线，如图2-2所示。这样就得到了由旋转电机演变而来的最原始的直线电机。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。（a）沿径向剖开 （b）把圆周展成直线图2-2 由旋转电机演变为直线电机的过程图2-2中演变而来的直线电机，其初级和次级长度是相等的，由于在运动时初级与次级之间要做相对运动，如果在运动开始时，初级与次级正巧对齐，那么在运动中，初级与次级之间的耦合的部分越来越少，而不能正常运动。为了保证在所需的行程范围内，初级与次级之间的耦合能保持不变，因此实际应用时，是将初级和次级制作成不同的长度。在制造直线电机时，即可以是初级短，次级长，也可以是初级长，次级短。前者称为短初级长次级，后者称为长初级短次级。但是短初级在制造成本上、运行的费用上均比短次级低得多，因此，目前除特殊场合外，一般均采用短初级长次级，如图2-3所示。（a） 短初级 （b）短次级（b） 图2-3 单边型直线电机在图2-3中所示的直线电机中仅在一边安放初级，对于这样的结构型式称为单边型直线电机。这种结构的电机，一个最大特点是在初级与次级之间存在着一个很大的法向吸力，一般这个法向吸力，在钢次级时约为推力的10倍左右，在大多数的场合下，这种法向吸力是不希望存在的，如果在次级的两边都装上初级，那么这个法向吸力可以相互抵消，这种结构形式称为双边型，如图2-4所示。（a） 短初级 （b）短次级图2-4 双边型直线电机上述介绍的直线电机称为扁平型直线电机，是目前应用最广泛的，除了上述扁平型直线电机的结构型式外，直线电机还可以做成圆筒型（也称管型）结构，它也可以看作是由旋转电机演变过来的，其演变过程如图2-5所示。（a）旋转电机 （b）扁平型单边直线电机（c）圆筒型直线电机图2-5 旋转电机演变为圆筒型直线电机的过程图2-5表示一台旋转电机以及由定子绕组所构成的磁场极性分布情况；图2-5b表示转变为扁平型直线电机后，初级绕组所构成磁场极性分布情况，然后将扁平型直线电机沿着和直线运动相垂直的方向卷接成筒形，这样就构成图2-5c所示的圆筒型直线电机。此外，直线电机还有圆弧型和圆盘型结构。所谓圆弧型结构，就是将平板型直线电机的初级沿运动方向改成圆弧型，并安放于圆筒形次级的柱面外侧，如图2-6所示。图2-7是圆盘型直线电机，该电机把次级做成一片圆盘（铜或铝，或铜、铝与铁复合），将初级放在次级圆盘靠近外缘的平面上，圆盘型直线电机的初级可以是双面的，也可以是单面的。圆弧型和圆盘型直线电机的运动实际上是一个圆周运动，如图中的箭头所示，然而由于它们的运行原理和设计方法与扁平型直线电机结构相似，故仍归入直线电机的范畴。 图2-6 圆弧型直线电机 图2-7 圆盘型直线电机2.3 磁通切换原理所谓的磁通切换电机，是指绕组里匝链的磁通（磁链）会根据转子的不同位置切换方向和数量，即改变正负极性和数值大小。在一个转子极距范围内，对应着电机的一个电周期，磁通的数量会从最大变到最小，方向从进入绕组到穿出绕组（或从穿出绕组到进入绕组）。依据“磁阻最小原理”，磁通永远都是通过磁阻最小的路径闭合。在图2-8(a)所示的转子位置，显然永磁体产生的磁通会沿着图示箭头的路径穿出定子齿而进入与之相对齐的转子极。对于开路的定子绕组来说，其两端会感应出一定的反电动势。而当转子运动到图2-8(b)的位置时，永磁磁通在数量上保持不变但穿行的路径对绕组来说恰好反向，为穿出转子极而进入定子齿。显然，此时绕组中感应的反电动势与上一种情况相比，数值相同但极性相反。正是基于这个原理，当转子在上述两个位置之间连续运动时，绕组里匝链的永磁磁通就会不断地在正负最大值之间呈周期性变化，与之相对应，根据法拉第定律，绕组两端就会产生幅值和相位交变的反电动势（back-EMF，back-Electro-Motive-Force），这个过程就被称之为“磁通切换”，这也是该类型电机名称的由来。 （a） 磁通穿出绕组 （b）磁通进入绕组图2-8 磁通切换原理2.4 直线电机工作原理直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例：当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。直线电机的原理并不复杂。设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开，并且展平，这就成了一台直线感应电动机。在直线电机中，相当于旋转电机定子的，叫初级；相当于旋转电机转子的，叫次级。初级中通以交流，次级就在电磁力的作用下沿着初级做直线运动。这时初级要做得很长，延伸到运动所需要达到的位置，而次级则不需要那么长。实际上，直线电机既可以把初级做得很长，也可以把次级做得很长；既可以初级固定、次级移动，也可以次级固定、初级移动。而本文研究的电机不是电励磁，而是永磁体励磁，而且做为电动机运行，电机内部耦合着永磁磁场和电枢磁场，因此在展开分析之前，先要讨论永磁磁通和电枢磁通的相互关系。在图2-9(a)的位置，转子极P1和P2分别正对一块永磁体，电枢绕组电流如图中所示，用实线和虚线分别表示永磁磁通和电枢反应磁通的分布情况。对P1，显然左半边的合成磁通是加强的，而右半边的电枢反应磁通与永磁磁通方向相反，总的合成作用力向左。对P2的情况是相同的。因此，转子会向左运动到图2-9(b)所示位置。改变电枢绕组中的电流方向，对转子极P1和P2采用同样的的方法分析，可知它们仍然会受到一个向左的力而吸引转子继续向左运动。显然，当把图中的电流换向，则电机就会向右运动。可见，通过实时检测转子位置来调整电枢电流的大小和方向，就可实现对电机转向和速度的控制，实现该电机运行。图2-9 电机运行图2.5 磁通切换永磁直线电机的应用及其优势2.5.1 直线电机的应用直线电机是一种新型电机，近年来应用日益广泛磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的。磁悬浮列车是一种全新的列车。一般的列车，由于车轮和铁轨之间存在摩擦，限制了速度的提高，它所能达到的最高运行速度不超过300km/h。磁悬浮列车是将列车用磁力悬浮起来，使列车与导轨脱离接触，以减小摩擦，提高车速。列车由直线电机牵引。直线电机的一个级固定于地面，跟导轨一起延伸到远处，另一个级安装在列车上。初级通以交流，列车就沿导轨前进。列车上装有磁体（有的就是兼用直线电机的线圈），磁体随列车运动时，使设在地面上的线圈（或金属板）中产生感应电流，感应电流的磁场和列车上的磁体（或线圈）之间的电磁力把列车悬浮起来。悬浮列车的优点是运行平稳，没有颠簸，噪声小，所需的牵引力很小，只要几千kw的功率就能使悬浮列车的速度达到550km/h。悬浮列车减速的时候，磁场的变化减小，感应电流也减小，磁场减弱，造成悬浮力下降。悬浮列车也配备了车轮装置，它的车轮像飞机一样，在行进时能及时收入列车，停靠时可以放下来，支持列车。 要使质量巨大的列车靠磁力悬浮起来，需要很强的磁场，实用中需要用高温超导线圈产生这样强大的磁场。2.5.2 永磁直线电机在轨道交通方面的优势随着我国城市的发展，交通问题已成为城市发展的一个瓶颈。地铁作为快捷、安全、舒适、大运量、低能耗、少污染的城市交通工具，是解决城市交通矛盾的有效手段。直线电机轮轨交通系统因造价低、线路适用性强、养护维修简单、噪音低等优点，被业内普遍认为是21世纪先进的交通方式。直线电机与旋转电机相比，主要有如下几个特点：一是结构简单，由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，重量和体积大大地下降；二是定位精度高，在需要直线运动的地方，直线电机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差，故定位精度高，如采用微机控制，则还可以大大地提高整个系统的定位精度；三是反应速度快、灵敏度高，随动性好。直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑，因而使得动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触，这就消除了定、动子间的接触摩擦阻力，因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性；四是工作安全可靠、寿命长。直线电机可以实现无接触传递力，机械摩擦损耗几乎为零，所以故障少，免维修，因而工作安全可靠、寿命长。此外，具有结构简单，运行可靠;体积小，重量轻，损耗小、效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等诸多优点。另外，永磁直线电机采用的是永磁体励磁，与传统的电励磁电机相比，功率因素有了较大的提高。2.6 本章小结本章介绍了永磁电机的发展及分类，直线电机的基本结构及工作原理，磁通切换原理，以及磁通切换永磁直线电机的优势，为下一章节的介绍做了理论基础。7毕业论文第三章 磁通切换永磁直线电机的有限元分析3.1 有限元原理有限元法（finite element method）)是在20世纪60年代出现的一种数值计算方法，最初用于固体力学问题的数值计算。从70年代开始，有限元法的应用领域逐渐从固体力学领域扩展到其它需要求解微分方程的领域，如流体力学、传热学、电磁学、机械零件强度分析等。70年代初期，加拿大的P. SIIvester和M. V. K. Chllrl，把有限元法引用到电磁场计算中，并将其应用于电机工业。有限元法以变分原理为基础，用近似离散差值的方法建立各部分的相互关系，把二次泛函的极值问题转化为一组多元代数方程组来求解。它能解答有复杂结构和边界边值的问题。目前，有限元法己广泛应用于求解二维非线性电磁场问题、三维非线性电磁场以及非线性三维涡流场等问题。可以说，有限元法在电磁场数值分析领域中得到了广泛的应用。对于有限元方法，基本原理和解题步骤可归纳为：（1）建立积分方程。根据变分原理建立与微分方程初边值问题等价的积分表达。（2）剖分区域单元。根据需要求解的区域形状结合实际解决问题的需要将求解区域剖分为若干相互邻连却不重叠的单元，同时给剖分好的单元和节点进行编号、标出节点的位置坐标。（3）选择单元基函数。根据剖分好的单元特点和节点的数目，按照对近似解的精度要求，选择满足特定插值条件的插值函数作为单元基函数。（4）获得单元方程组。用选择好的单元基函数的线性组合来表示各单元的求解函数，并将表达好的求解函数代入积分方程，最后对单元区域进行积分，获得含有待定系数的代数方程组（单元方程组）。（5）合成总体有限元方程。在得出各部分单元区域的单元方程组之后，将区域中所有单元的单元方程按一定法则进行组合，形成总体有限元方程。（6）处理求解区域的边界条件。边界条件一般有三种：本质边界条件、自然边界条件、混合边界条件。（7）解有限元方程组。结合求解区域的边界条件，采用适当的数值计算方法对总体有限元方程组求解，最后得到各节点的函数值。有限元法有较为明显的优点：它可以采用多种方法对其求解；整个物体的插值函数，复杂形状物体的求解；它只需要对每个单元采用各自的插值函数，有限元不需要适用于所以也可以适用具有有限元法可以求解非均匀介质；有限元法适用于线性和非线性场合；离散方程的形式规范，便于编制通用的计算机程序。当然，有限元法也有它的很多不足：对于无线区域问题，有限元法难以求解；在针对一些复杂问题的分析上，所耗费的计算时间、内存和磁盘空间很是惊人；对于有限元的网格剖分，目前完全依赖于经验。3.2 有限元软件Ansoft Maxwell的介绍传统的计算方法，电磁系统的设计处于一种半经验半计算的状态，有时必须通过反复试验的方法来设计电磁系统，这就使得产品成本升高、时间周期拉长，不利于新产品的开发。Ansoft公司开发了Maxwell软件可以对样机进行各种工况的仿真实验，软件所得到的结果与样机在实际运行的实验结果基本一致。Ansoft Maxwell软件包含2D和3D求解器，可实现产品设计的自动优化，具有与CAD的接口，并用于超强大的网络处理能力，适用于电机系统的设计和电磁场的分析。它们都采用模块设计，使得软件的通用性、功能性十分强大，广泛应用于工业产品的设计领域。Ansoft Maxwell 2D软件包括二维直流磁场(2D Dc Magnetic Field)、二维电场(2D Electrostatic Field)、二维交流磁场(2D AC Magnetic Field)、二维瞬态场(2D Transient Field)、二维温度场(2D Thermal Field)、等效电路提取(Equivalent Circuit Generator)和二维参数分析(2D Parametric Analysis)。本章主要使用了二维静磁场和二维瞬态场。二维静磁场可以用来分析由直流电流、永磁体及外部激磁产生的磁场。它适用于传感器、激励器及永磁体等，可以自动计算力、转矩和电感等物理量，并且后处理器还提供了磁力线、磁场强度、磁通密度和能量密度等多种图形结果。此外，其他一些物理量还可以利用后处理器中集成计算器从磁场计算结果中提取出来。二维瞬态场可以方便求解某些运动和具有任意波形的电压、电流激励源的设备。用户可输入如源、负载、电阻、电感、电容或材料属性等参数，也可以输入函数和图表方式的参数。因此为研究电路突开、突短、断路或故障运行、负载变化或机械扰动以及电力电子开关动作等现象提供了方便有效的手段。软件还包括线路绘制图，含有如电阻、电容、电感、各种二极管、受控开关、独立源、以及电压/电流表的各种组件。二维瞬态磁场的输出包括电流、每个绕组中的感应电压和磁链、时间、速度、位移、运动引起的涡流、动态力、转矩、功率及铁耗，还可对用户指定地方的磁场等物理量进行可视化。3.3 电机仿真模型的建立二维静磁场是一个功能强大，界面易于使用的有限元分析软件。它采用自适应网格剖分技术，还可以由用户自定义材料，磁场的计算可以达到很高精度。3.3.1 建立几何模型本文研究对象是定子永磁型磁通切换直线电机，电机是轴对称模型，电机有四级，在Maxwell 2D软件下建立的电机几何模型21如图3-1所示。图3-1 直线电机的几何模型3.3.2 定义材料和加载激励源定子永磁型磁通切换直线电机模型建立好后，就可以对样机进行定义材料的步骤此过程严格按照样机的实际材料进行自定义，对于材料库没有的材料，用户可以自定义，尤其要注意永磁体材料的定义，需要设定永磁体磁极方向。模型的边界条件可以设置无限远处磁场强度为0，也可以设置电机的外壳磁场强度为0。材料属性的定义是通过材料管理器来实现的，Ansoft 12版本的材料管理器由工具栏右侧的下拉菜单进入，如图3-2所示。图3-2 材料管理器执行界面具体步骤如下：第一步：在建立几何模型时，所有部件的材料属性都默认为真空vacuum。选择下拉菜单中Select选项，弹出材料管理器对话框如图3-3所示。图3-3 材料管理器对话框对于直线电机的磁场分析，需要指定如下材料属性：（1） 指定气隙Air_gap材料属性空气（亦采用默认材料属性真空）。（2） 指定绕组coil材料属性铜。（3） 定义初级与次级材料属性DW465-50，一种电机常用非线性铁磁材料。（4） 定义永磁体材料属性NdFe35。第二步：指定Air_gap材料属性。在材料管理器中列举了电磁分析常用的材料的基本属性，各个材料均位于材料库中，当项目需要库中某种材料时，选择该材料双击，此材料会自动进入项目管理器菜单中，如图3-4所示，在项目管理器的下部，可以对材料进行编辑、添加、复制、删除以及导出等操作，这就方便用户对材料类型的选择与定义。 图3-4 项目材料添加界面第三步：指定coil材料属性。绕组材料的属性的指定与气隙材料的指定方法相同，这里不再累赘。指定初级和次级材料属性。材料是由DW465-50硅钢片制成，材料库中没有该材料，因此用户需要自己定义，新的材料是非线性的，也就是说，材料的相对磁导率并不是常数，需要根据BH曲线加以定义。下面介绍如何加入新的非线性铁磁材料。第四步：鼠标单击材料管理器下方的Add material按钮，出现新材料编辑对话框，如图3-5所示，可以在这个对话框中进行相应的设置。第五步：在Material Name文本框中输入DW465-50；在相对磁导率的类型框中选择非线性nonlinear，Value项显示为BH Curve；选择BH Curve进入BH曲线编辑器，在左侧B和H框中依次输入DW465-50硅钢片相应的磁通密度与磁场强度值，此处默认为10列，通过选择Add row below按钮添加列数，BH点输入完成后编辑器右方窗口显示输入的BH曲线图形，单击OK按钮，如图3-6所示。第六步：对永磁体材料进行设置，利用图标对永磁体的磁化方向进行设置，此直线电机设计的磁化方向为交错励磁，这样具有聚磁的效果，能使更多的磁通量汇集到工作气隙中去，可以有效的防止退磁和漏磁。图3-5 材料编辑对话框图3-6 BH曲线编辑器至此，被分析永磁电机各个部件的材料属性定义与分配均已完成，模型管理器中各个部件的分布亦自动按材料进行归类，如图3-7所示。图3-7 材料归类分布3.3.3 激励源与边界条件定义及加载在本例进行定子永磁型磁通切换直线电机空载分析时，加载励磁电流，设置电流值为0，三相相同。第一步：绕组分相。按照旋转电机的分相原则对本电机进行分相。第二步：绕组参数设置。绕组分相结束后，各个绕组的从属关系已知。执行Maxwell 2D/Excitations/Assign/Coil命令，弹出如图3-8所示的对话框进行设置。B和C相绕组的加载方式与A相绕组的加载相同，命名方式相类似。 图3-8 A相绕组激励设置对话框第三步：加载电流激励源。完成各个槽绕组的设置，进一步需要将属于同一相的槽绕组归属为相绕组。右击项目管理器中的Excitations选项，在弹出的下拉菜单中选择Add Winding选项，弹出绕组设置对话框。首先将绕组名称设置为Winding A，Type项设置中选择电流，选择导线Stranded，并联支路数设置为1，具体设置如图3-9所示。图3-9 Winding 设置对话框第四步：右击项目管理器中Excitation下的Winding A 选项，在弹出的下拉菜单中选择Add Coils选项，弹出增加端口设置对话框，选择属于A相的6个槽绕组，单击OK按钮，将其加入到Winding A中，具体操作如图3-10所示。 图3-10 绕组设置对话框第五步：B、C相绕组的设置方法与A相绕组的设置方法类似。重复上述两步操作，绕组名称设置为Winding B、Winding C，并将相应的槽绕组添加到B、C相绕组中。第六步：加载边界条件。执行Edit/Select/Edges命令，选择外层区域的四个边。执行Maxwell 2D/Boundaries/Assign/Vector Potential命令，此时弹出Vector Potential Boundary设置对话框，在Name框中输入边界名称后单击OK按钮完成设置，具体设置如图3-11所示。图3-11 边界设置3.3.4 运动选项设置直线电机瞬态电磁场分析针对电机直线运动时的磁场变化而言，在模型窗口中选中Band面域，右击项目管理器中Model下的Motion Setup/Assign Band选项。第一步：在运动设置对话框中分别设置运动类型、数据信息、机械信息三个选项，在类型选项中，将Model项选择为Translation直线运动，运动平行于坐标系X轴，运动方向选择正方向，如图3-12所示。图3-12 直线运动设置第二步：在运动数据信息的Initial Position初始位置选项中设置直线运动的初始位置角为0mm，正向位移为45mm，确保磁极不脱离初级。在机械设置中设置运动速度为28m/s，具体的设置如图3-13所示。 图3-13 运动数据及机械设置第三步：运动设置完成后，选择运动设置选项moving1，可观察到模型窗口中的次级运动模型部分被阴影覆盖。3.3.5 求解选项参数设定第一步：力和力矩设置。瞬态磁场分析中，通过Maxwell 2D/Parameters/Assign/Force命令和Maxwell 2D/Parameters/Assign/Torque命令可以对力及力矩参数进行设置。但在瞬态磁场分析后处理中可以得到力矩与时间、位置之间的函数关系，因此，瞬态求解对力及力矩参数可不加以设置。第二步：网络剖分设置。执行Maxwell 2D/Mesh Operations/Assign/On selection(On selection、Surface Approximation)命令进行剖分设置：（1） 设置Length_band=3mm分配给band.（2） 设置Length_coil=5mm分配给线圈。（3） 设置Length_steel=3mm分配给初级和次级。（4） 设置Length_PM=1.5mm分配给永磁体。（5） 设置Length_out=5mm分配给外层区域。第三步：求解设定。执行Maxwell 2D/Analysis Setup/Add Solution setup命令，弹出求解对话框，主要包括一般设置、场信息保存设置、高级设置、求解设置、输出变量设置以及默认选项设置。在一般设置中，设置求解名称为setup1，设置求解终止时间为1.6ms，求解时间步长0.032ms，求解400步。在求解设置对话框中选择场信息保存Save Fields项，设置场计算结果保存选项，在Type选项中选择线性步长Linear Step，信息保存开始及终止时间分别设置为0和1.6ms，场信息保存时间步长设置为0.032ms，然后单击按钮将具体设置增加到时间菜单中，具体设置如图3-14所示，其他求解设置项保持默认设置。 图3-14 求解时间设置对话框第四步：分析自检。执行Maxwell 2D/Validation check命令，弹出自检对话框，当所有设置正确后，每项前出现对勾提示。本例中在激励与边界条件前出现了警告提示，是因为在应用材料库中材料时，自动赋予了电导率等物理属性，因此在分析时会考虑涡流效应的影响，而在本例分析中忽略了涡流效应影响的设置，因此出现警告，用户可以不予以考虑，其不会影响到直线电机磁场的计算结果，自检及警告提示如图3-15所示。图3-15 直线电机数值求解自检对话框3.3.6 求解及后处理完成上述设置与检查后，即可对定子永磁型磁通切换直线电机进行分析，求解后可对电机运行时的各个参数进行观察。第一步：定位力矩的观察。执行Maxwell 2D/Results/Create Transient Report/Rectangular Plot命令，弹出曲线设置对话框，在参数设置栏中选择None，在类别Category对话框中选择Force力选项，Quantity对话框中选择Moving1.Force_x力选项，单击New Report按钮完成设置。第二步：绕组反电势观察。执行Maxwell 2D/Results/Create Transient Report/Rectangular Plot命令，弹出曲线设置对话框，在参数设置栏中选择运动设置moving1，在类别Category对话框中选择Winding选项，Quantity对话框中选择A、B、C三相感应电压选项，单击New Report按钮完成设置。第三步：绕组磁链观察。执行Maxwell 2D/Results/Create Transient Re