（机械电子工程专业论文）内置式梯度磁场产生装置的设计与研究.pdf

西南交滠大学疆士醛突生学位论文第l 页 摘要 磁场在现代工业韦豹寂周越来越广泛。在不同的工韭应露环境中所需酶 磁场分布和磁场强弱各不橱同，因此产患各种磁场分布、控制磁场强弱的磁 场产生装置也备不相同。本设计是为某研究院开发的一种内置式梯度磁场产 生装置，要求王作点的磁感应强度的大小以及磁场的分布盐线应满足设计要 求，魏外，还螫达弱磁场稳定性、装鬟散热等各项擢标的技寒要袋。 本论文根据磁场产生装置的技术要求，选取合适的电磁材料，合理设计 磁极、磁轭和铁心的形状及尺寸：设计励磁线圈的相关参数，选择线圈的绕 铡方法；并根据设计要求中规定的空搦食理布局线圈和冷却装零，确定獯蓼 水冷却方案。应舔a n s y s 软侔对磁场产生装萋的电磁场进行有限元计算与 分析，对磁极、磁轭的形状及其关键尺寸进行优化，分析磁极形状、气隙大 小等因素对磁场分布的影响，以寻求最佳设计方案。 为了达到调节磁场强弱、操持磁场稳定性的技求簧求，采雳单片枫控制 系统对磁场进行闭环控制。为此设计并开发了由萃片机、传感器、乒l d 转换 器、d ，a 转换器以及励磁电源等器件构成的硬件系统。并用c 5 1 语言对单片 机进行编程控制。该系统以8 9 c 5 1 单片机为核心，用霍尔传感器检测磁场感 应强度，经削d 转换形成反馈信号，单片机送行控翱运算，经d ，a 转换辕崮 控制信号，控制电源电压，从而达到调节励磁电流、控制磁场精度并保持磁 场长期稳定工作的目的。此外，本系统述具有工作点磁感应强度的实时显示、 键盘指令输入、上位机串口通信、监控等功能。 逶过系统实验，对磁场产生装置进行标定，校骸磁场分布和誓作点的磁 场大小，对实验结果进行了分析。本装鬣完全达到了各项技术要求，并通过 了验收，现已投入使用，实现了它应有的科学价值。 关键词：磁场产生装置；电磁材料；有限元分析：控制系统；8 9 c 5 l 单片机； 标定 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t m a g t l e t i cf i e l di su s e dw i d e l yn o w a ：d a ”a n dd i 航r e n tm a g l l e t i cf i e l di s r e q u i r e di nm u c hc o n d i t i o ns ot h a td i f 诧r e n tm a g n e t i cf i e l dg e n e r a t o r ss h o u l db e d e s i g i l e d t h ei i l n e r 掣a d sm a g i l e t i cf i e l dg e i l e r a t o ri sd e s i g n e df o rs o m ei n s t i t u t e w h i c hc a ng e n e r a t et h em a 昱皿e t i cf i e l dt h a ti sr e q u e s t e di nt h ew o r k i n gp o i n t t h e i 衄e r 掣a d sm a g n c t i cf i e l dg e n e r a t o r ( m f g ) c a i lg e n e r a t es o m em a g n c t i cf i e l d t h a th a sb e e ns p e c i f i e do nt h ew a v e 姐dt h ep a r a m e t e r si na d v a n c e t h e p a r a m e t e r s ，s u c ha ss t a b i h a r er e q u i r e d b a s e do nm er e q u e s t so ft h em f gi ti se x p o l l n d e dh o wt os e l e c tt h es 机f fo f t h em f gt h es t n l c t u r e sa n dd i m e n s i o n so ft h ep a r t sa r ed e s i g n e d ，a n dt l l es p a c e b e t w e e nm ew i n d i n ga i l dt h ec o o l i n gs e ta r ed i s t r i b u t e dr e a s o n a b ly c o n 丘mt h e p a r a m e t e r so ft h ew i n d i n ga n dt h em a c h i n i n gm e a n so fm ew i n d i n gm o d ea 1 1 d c o o lm ew i n d i n gw i mw a t e r t h ep r o p e rf i n i t ec a l c u l a t i o m e a s u r ei ss e l e c t e dt o c a l c u l a t et l l et o t a ls t m c t l l r ew i t ha n s y s ys o f t 、a r e ，a n dt h ep i v o t a ld i m e n s i o no f m ep a n si so p t i n l i z e dt of i n dt h eb e s tp r o j e c t a n a l y z em ee 妇l c c to fm es h 印eo f m em a g i l e t i cp o i e ，s i z eo f t l i eg 印a n ds oo n t h ec o n t r o ls y s t e mi sc o m p o s e do fs i n 酉e c h i p ，s e n s o r dm o d u l e ，d ，a m o d u l ee t c t og u a r a n t e et h a tt h em a g n e t i cf i e l di ss t e a d y b 鹊e do nt h er e q u e s t s o ft h ed e s i g n ，t h eh a r d w a r ea n dt h ep a w c ro ft h ew i n d i n ga r cs e l e c t e dt of o ml h e c l o s e di o o ps y s t e m t h e8 9 c 51 s i n g l e c h i pi st h ec o r ei nt h es y s t e m t h ef b e d b a c ks i g n a li 8m e a s u r e db y 也eh a l is e n s o ri nt h em a 髓e t i c 矗e l da n dt h e8 9 c 5 1 p r o 蓼a mi sd e s i g n e dw i t hc 51 ，t h e nm es i g n a lc o n t m l st h ep o w c rt h m u g hd a t h u s ，e x c i t a t i o nc u r r e n t i sa d j u s t e d r e a l i z e 也es t a b i l i z a t i o no ft h em f ga n dt h e e r r o rw i t h i nt h ed e s i g i lr e q u e s t o nt h eo m e r h a n d ，r e a l i z e 也ed i s p l a y ，i n p u to f k e y ，w a t c h i n ga n dc o r 衄o l l i n gw i 也c o m p u t e rb yt h ep r o 野a m i nt h ee n d ， d e m a r c a t et h eg e n e r a t o ra n dt e s tt h ed i s t r i b u t i n ga l l dt h es i z eo “h em a g n e t i c f i e l d a n a i y z et h er e s u l to fm et e s t t h em f gh 勰r e a l i z e da l lr e q u e s t sa n di 8u s e d i nd r a c t i c en o k e yw o r d s ：m a 印e t i cf i e l dg e n e r a t o r ；e l e c t r o i l i cs t u 尬f i n i t ec a l c u l a t i o nm e a s u r e ： c o n h d ls y 自t e m ；- 8 9 c 51 ；d e m a r c a t e 西南交通大学硪士研究生学l 盎论文第1 页 第1 章绪论 磁场在现代工业中的应用越来越广泛。例如，可以用于生产线计数、探 伤、起薰正件等。在不同的工业应用环境中所需的磁场分布豳祁磁场强弱各 不圜，因j 毙产生各穆磁场分毒、控裁磁场强弱的磁场产生装甏也各不稳固。 本设计是为某研究院开发的一种内置式梯度磁场产生装鬣，要求工作点 的磁感应强度的大小以及磁场的分布曲线要满足设计要求。同时，对具体的 机械机构和控制系统也作了相关要求。 1 1 内置式梯度磁场产生装置的结构及技术指标 根擐磁场产生装豢瓣设计要求，采用乙墅磁貉进行磁场产生装置梯度场 的总体结构设计。线圈包覆在底轭上，且位于左、右磁轭之间所形成的空腔 内，如图1 1 所示；熬个磁路结构应与中2 5 0 1 5 0 m m 大小的空间相适应， 如图1 2 蹶示；磁场产生装置的左、右磁轭和左、右磁极的衰露要求镀镰处 理；磁轭和磁极的联结方式必需方便磁极的更换和拆卸。 线圈铁心磁极磁轭 广厂厂 图1 1 电磁场的总体结构 图1 2 电磁场的应用场合 西南交通大学硕士研究生举位论文 第2 页 内鬟式梯度磁场产生装置王俘气隙中心囊上方5 m m 处( 即圈l 3 所承的 a 处) 的磁感应强度o 2 5 t ：要求内置式梯度磁场产生装鬻在环境温度2 0 1 。c 时能够连续工作2 4 小时，其磁场强度的波动o 7 ，另外，在环境温 度o 。c 6 0 。c 之间可正常启动和工作；内置式梯度磁场产生装置应具有良好 的承冷教热等措藏；电源应吴蠢平动以及受工经樱i 控刮的接口功能。 图l 一3 工作点示意图 内鬣式梯度磁场产生装置的工作区为气隙中心正上方s m m 左右的边缘 场，其磁场分布为：糕图l _ 3 内的x y 坐标内磁场分布近似为正态分布，如 匿l 一4 所示。磊垂直予王作气豫方向且其上方豹磁场分布范强1 5 0 。，豫端 收敛，如图卜5 所示。 要设计的内置式梯度磁场产生装鼍的工作点在气隙的正上方5 咖她， 磁极和磁轭的形状要求与西2 5 0 1 5 e 斑n 左右大，j 的空蜗相逶应，工作点豹磁 感应强的要 求不小于o 2 5 t ，同时要保诞内置式梯度磁产生装置具有良好的水冷散 热措施。根据以上几点要求，采用励磁方式产生磁场，因为励磁方式能够方 便的保证工作点的磁场按要求进霉亍变佬。采用撇磁方式产童磁场时，妇何利 用强磁税之闽的空润会理豹设计线圈轻冷却装爨是结构设计的关键。 当励磁电流在o 到最大值之间变化时，工作气隙中心上方5 衄处的磁 感应强度也在0 到最犬值之间变化。 虑置式磁场产生装黉( 蔺稼磁场产生装誊) 的磁路是乙勰磁路，磁极和 磁轭的形状不规则，在安匝数一定的情况下，_ 陂尽可能提高工作点的磁感应 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 贾 第2 章电磁场及a n s y s 简介 磁场产生装置的设计要以电磁场理论为基础，并采用a n s y s 软件进行 计算分析。因此。本章中简单说明电磁场的基础知识和a n s y s 软件的相关 内容。 2 。1 电磁场基础知识 电磁场的应用十分广泛，例如，钢厂利用电磁吸盘起重各种钢件，磨床 利用电磁吸盘吸住加工的钢铁工件，扬声器( 喇叭) 是利用通电的线圈在环形 磁铁内振动并带动纸蓬发出悦耳的音响，饮用经过强磁化的水能增进健康， 穿着带磁性的鞋能治疗疾病等等。电磁场的应用渗透到生产、生活的各个方 面。 2 1 1 电磁场的基本规律一麦克斯韦方程组 宏观电磁现象的基本规律可以非常简洁地用一个方程组，即麦克斯韦方 程组来表示。这一电磁场基本方程组的变量为四个场向量：电场强度觑v ，m ) 、 磁感应强度口( t ) 、点位移向量d ( c 齐) 和磁场强度日( a m ) ；以及两个 源量：电流密度j ( 刖m 2 ) 和电荷密度p ( c m 3 ) 。在静止媒质中其微分形式 可以表示为 v h ：，+ 塑 盘 v e ：一昙 ( 2 - 1 ) 优 v 月= 0 v d = d 为表征在电磁场作用下媒质的宏观电磁特征 为表征在电磁场作用下媒质的宏观电磁特征 构成关系式： d = 话 曰= f d 尚应给出咀下三个媒质的 尚应给出以下三个媒质的 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 西南交遴犬警硕圭研究生学 立论文第8 茭 ，= 压 ( 2 4 ) 式中 占一介电常数： 口一磁导率； ，一电导率。 这三个参数只有在线性且务囱同性的愫况下，才是篱单的常数。工程上 广泛应用的铁磁材料，其嚣蝌之阕的关系呈现为含誊磁滞效应和损耗豹复杂 的j # 线性规律，此时，= ( 珂) 为依赖于场量变化的某个函数表达式。此 外，占和还可以描述备向异性材料，这时由于材料中通量密度方向与场强 方向的不一致性，它们应分别记作张量。在s i 单位之中，对应于自由空间的 介电常数氏= 8 8 5 4 l o “2 f ，m ；磁导率硒= 4 万l o 。h m ，满足在真空中光速 e 。( 盹岛) 。7 2 = 2 鳕8 x 1 0 8 耐s 的基本关系。 2 1 2 静态场和准静态场 采用励磁方式获得恒定磁场时，理论上应该用恒流源作励磁电流，由恒 定电流产生的电磁场可以通过静态场理论来分析，但在实际应用中，常常采 用燮电流的电源作为励磁电流源。变化较慢的电流产生的电磁场则应用准静 态场理论进行研究。 对应于电垂不随时阅箍交化的静丘电荷所产生的静电场，或峦恒电流掰 产生的挺定磁场，是报应的静态电场或静态磁场构綦本方程缀，显然麦克斯 韦方程组可以分别归结为 f v e ；o 1 v d ；d ( 2 - 5 ) 和 l 可x h ；j v 。口= o ( 2 - 6 ) 式中，场量窝源董均为不随时问变化豹空闻坐标溺数。这对，客观的静 态电磁场物理现象将呈现为单一的电场或磁场效应。 蓿导电媒质的时变电磁场场域中各处位移电流密度远小于传导电流密 度，则可以忽略位移电流的效应。此时，该时变电磁场即称之为准静态情况 西南交通大学硕士研究生掌伎论文第7 页 下的毫磁场( 磁准静态场) ，准静态场下的源量和场薰都是时润积空闻豹鹾数， 僵电磁波传播的推迟作用可以忽略不计，这表明给定某一瓣间的源，都决定 了同一瞬间的场分布，而该场分布与稍早瞬间韵源状态并无关联。对于给定 瞬间准静态场的分析计算，完全等同于相应的静态场阀题“1 。 在电磁场的计算巾，经常需要对麦克斯韦方程组中的偏微分方程进行简 化，因j 鹾：需要说明静磁场的磁矢经和磁标位两个薰。 磁场是矢量场，为研究它的性质，必须研究磁场强度嚣的散度和旋度。 出式( 2 6 ) 可以键如在黪磁场中嚣的散度为o 。根据“任键矢量的旋度的散 渡蠖等于o ”，可将曰写戏一个矢熏的旋度豹形式，如式( 2 7 ) 所示。 嚣= v 爿( 2 7 ) 其中一表示磁矢位，它自然满足磁感应强的散度等于o 。磁场日为： ：! v 4( 2 。8 ) 甄 以及 v 拦：j ：土v v a 风 矢爨场的旋度的旋发不等予o 。在彳已知豹特殊情况下 旋度算子求得电流密度。 在无电流区域中，静态磁场的基本方程( 2 6 ) 式变成 v x 日= o 这样，就霹以弓l 入糠粲磁位梆，丽令 = 一v 显然，标量磁位恒满题拉簧拉舞方程，朝式( 2 i o ) 。 v 2 吼2 0 2 1 3 磁路 ( 2 9 ) 可以运算两 ( 2 一l o ) 由予磁力线形成闭合路径，在交界面处磁逶进入帮流出的量相等，因而 可将磁通与闭合电路的电流相比拟。在传导电流中，电流完全在导线内流动， 在导线外部没有任 霉瀵满，磁性材料中的磁通雕不能完全局限在给定的鼹径 痣。餐如采磁性材料的磁导率运褒予包霭它豹物菝的磁爵举，刘磁通豹绝大 部分将集中在磁性材料内，泄露到它外围物质的磁通数爨几乎可以忽略。磁 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 屏蔽就是建立在磁逶这一特性基础上的。磁通在高导磁性材料中流动与电流 在导体内流通非常相似。因越将磁通在磁性材料滚动匏闭合路径稼为磁潞。 磁路就是构成诸如电机、变压器、电磁铁与继电器等器件的组成部分。 以紧密缠绕的线圈所组成的螺线管( 图2 。l 所示) 为例来说明磁路中的 磁场强度分布。磁遏仅存在于螺线管的芯内，巍螺线管芯是极高磁导率豹材 料，线圈仅集中在螺线管豹一小部分区域对，磁逶的大部分疵在螺线管中环 流。由线圈所产生的总磁通的一小部分则经磁路周围的空间完成闭合路径， 它们称为漏磁通。通常在设计磁路时，力求使漏磁通量最小，但在利用漏磁 的情况簧特殊考虑。 鬻蕞逼 空气隙 强2 t 磁路示意强 蠢蛙材辩 一般磁路中都会包含一段尺寸相对很小的空气隙，空气隙内磁通的扩散 是不可避免的，这种现象称为边缘效应。但由于空气隙的长度相对于其它尺 寸很小，翔绝大部分磁逶线将集中在空气陈处磁芯的两侧表褥，边缘效应通 常可以忽略“1 ，但在菜些情况下，漏磁是重点研究对象，这时边缘效应不能 忽略，本设计的磁场产生装置就是这种情况。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2a n s y s 软件简介 在工程实际中，电磁场的分析计算涉及非常广泛，例如电机、变压器、 电磁波辐射及传导电流场等。但总结它们的共同点，可分为二维、三维静态、 谐性和瞬态电磁场的分析计算。电磁场由麦克斯韦方程缓描述，电磁场的分 析与求解也就是寻求麦克斯韦方程组的解。对于简单的情况可以求得方程组 的鳃，闯题稍复杂一些时，要褥到电磁场静精确解馒很困难。由此，采闻数 值算法对电磁场进行求解得到广泛应用，有限元是数值解法中比较常用的一 种方法。 a n s y s 软件是美国a n s y s 公司推出的脊限元分析软件。目前，a n s y s 软传在有限元分析领域得到了簸广泛的应用。a n s y s 软件是第一个通过 i s 0 9 0 0 1 质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会( a s m e ) 、 美匿核安全局( n q a ) 及近2 0 种专业技术协会认证的标准分析软件。 a n s y s 软件能够分析结构力学、热学、声学、电磁学等各个方面的内容， 其功能非常强大筘】。 a n s y s 程序包攮前处理器、求辩器、后处理器和几个辅助处理器( 如优 化处理器) ，并具有良好的开放性使得用户能够在a n s y s 系统上_ j 敲行二次开 发和扩展新的功能。 在电磁分析领域，a n s y s 软件能够计算静态电磁场、谐性电磁场和瞬态 电磁场e 针对不同的有限元计算模型，在a n s y s 款俸中电磁场的计算可以 分为二维和三维两大类。 在具体豹计算过程中，需针对具体的要求选择合适的单元类型进行计算。 西南交通大学硕圭研究生学位论文第1 0 页 第3 章机械结构设计 该磁场产生装璧赝要产生的磁场强度比较丈，撵容纳磁投、磁轭、铁心 和线圈的空间相对比较小，因此合理的选择各个零部件的材料以及合理设计 磁场产生装置的各个零部彳牛的尺寸菲常重要。这一章麓重讨论材料的选择和 番部件外形及尺寸的设计。 3 1 材料的选择 软磁材料又称高磁导率材料，是磁性材料的一种，存在外磁场时，宥尽 可能大的磁感应强度嚣和磁化强度材，巍除去外磁场对，磁感应强度君和磁 化强度m 应尽可能完全消失。 软磁材料有如下特点： 一、初始磁导率、最大磁导攀都比较高，能够提高功能效率。 二、软磁材料的剩余磁通密度低，磁滞曲线很窄，饱和磁感应强度高。 兰、矫顽力小，能够撼高高频性能，减小涡流损失。 另外，软磁材料还有铁损低、电阻率高、磁滞伸缩系数低、备向异性系 数低等特点。 目前工业上常用的软磁材料有硅钢片、电工纯铁、坡莫合金、铁氧体和 晶态磁性材料( 如绒米鑫) 【6 】等。各种材辩豹棰关参数如表3 1 所示。 所设计的磁场产生装置要求剩磁小，并要求在计算点产生的磁场强度较 大，所以只有饱鞫强度高、磁导窀毫、磁芯叠琦系数大的软磁材辩才能满足 要求。该磁场产生装置的结构模型不规则，并且放置在密封的壳体中，所以 要求所采用豹导磁材料具有良好的加工特往和散热特性。 针对所需材料的这些特点，综合考虑常用的电工材料的各种特性，从丽 确定最镶的软磁材料。从表3 1 可以看出，纳米晶具有较高的饱和磁感应强 度，较离的磁导率，但是纳米晶的塑性很差，不易加工，加工时要在岁 藤加 上金属保护层，从加工的角度考虑，纳米晶不是最佳的选择。另外纳米晶的 成本较高，从节约成本的角度考虑纳米晶也不是最好豹选撵。 西南交通大举硕士研究生学位论文第11 页 表3 1 磁性材料的相关参数 穷 群 基 名 纳米晶坡莫含金1 j 8 5硅钢片 电工纯铁 本磁称 眵群 饱和磁感应强度( t )1 2 5 0 7 6 2 0 32 1 5 扔始磁导率( g s ，o e ) 7 0 0 0 0 8 0 0 0 08 0 0 0 01 e o ol o o o 最大磁导率( g s o e ) ) 5 0 0 0 0) 5 0 0 0 04 0 0 0 06 0 0 0 2 0 0 0 0 密度( c m 3 ) 7 + 28 7 57 6 57 8 居里温度( o c ) 5 7 04 0 07 4 07 7 0 带材厚度 o 7o 9o 9 5 从表3 l 可以爨出，坡莫合金的磁导率比较高，饱和磁感应强度低。由 于玻莫合金的磁导率比较高，在相同安匝数的情况下，坡英台金会产生相对 较大的磁感应强度。但是坡莫合金的饱和磁感应强度较奎，| 三l 坡莫合金l j 8 5 为例，饱和磁感应强度只有o 7 6 t ，也就是说，当磁感应强度达到0 7 6 t 时， 再增加安匝数，磁铁孛的黻感应强度几乎不瓣增热。由于所要求豹磁场产生 装置要在空气隙产生o 2 5 t 的磁感应强度，通过a n s y s 软件进行初步计算， 柽磁极中翡磁感应强度不大手2 t 。由此霹觅，选择坡莫合金作为设计酶材料 很难使工作点的磁感应强度达到o 2 5 t 。从成本角度考虑，坡莫合金比较昂 贵，因诧，坡莫合金也不是最佳的选择材料。 常用的电工材料还有硅钢片和电工纯铁，这两种材料具有相似的电磁特 往，都其有较高的饱和磁感应强度，磁导率也比较高，并鼠加王性能良好， 因而在工程中得到广泛应用。 硅钢片和电工纯铁的不同之处在于硅钢片的厚度很小，要做成磁极或铁心， 必须将很多硅钢片爨在一起才能达到铁心和磁极的所需厚度，面这样的叠船 会减小磁导率。这样就引进了叠层系数的概念，叠层系数是叠加厢的磁导率 与硅钢片的磁导率的比值。由表3 1 可知，砖钢片豹叠层系数为o 。9 5 。 电工纯铁的规格比较多，电工纯铁板的厚度可达2 5 0 i n m ，电工纯铁棒的 寰径霹达2 s 胀嫩。磁极、磁轭秽铁心可以采用尺寸较大数电工纯铁来加工， 藤南交逶犬擎硪圭研囊生擎位论文第 2 页 这样鸯妥王出静磁援、磁轭和铁心蹩一个整体的工传，因此不存在叠层系数。 掰以采用电工纯铁的工件会比采兵l 穗锯冀抟工钵模黧小，这样胃以节约空瓣t 为在有限的体积内留出循环水冷的空间。电工纯铁的牌号和有关参数如表3 2 所示。 表3 2 电工纯铁麴牌号及糯关参数 矫 顽力 矫最大 时效 域力 磁导率 增值 牌h e a 脂u 舶i l m ( g a i i c磁感斑强度，t ( g s ) 不小于 号 ( 0 e )s 0 e ) x i 鞋 不太旷举小 ( o e ) 于 年 不大 叶b 2 0 0 0b 3 b 5 0 0 0b l o o ob 2 6 0 0b 6 0 0 08 l o 9 6 o (7 5 ( 6 0 0 9 8 ( o d t1 2 )o ) 1 2 ) d t a 7 2 o (8 8 ( 7 0 0 d t a7 ，2 ( 0 o 9 ) o )1 2 0 (1 3 0 ( 1l ，4 0 ( 1l 。5 0 ( 11 8 2 ( 1l l ? l (1 8 ( 1 0 9 j 1 2 0 0 )3 0 0 0 )3 0 0 0 )5 0 0 0 )6 2 0 0 )1 7 1 0 0 )8 0 0 0 ) 4 8 ，o (4 8 ( 0u 3 ( 9 0 阱e o 0 6 )0 6 )0 0 ) 3 2 0 (唾0 ( 01 5 1 ( 1 2 d t c o 4 )。0 5 ) 0 0 0 ) 综会以上各种材精豹特点可以看出电工纯铁是所要设计的磁极、磁轭和 铁心的最佳耪辩选择。 根据表3 2 可以希出，从牌号为d t 的电工纯铁到牌号为d t c 的电工纯 铁，相对磁导率由小弼大。综合考虑成本、机械加工特性和相对磁导率等各 项因素，磁场产生装墨的备零部件选用牌号为d t e 的电工纯铁。电王纯铁的 磁化曲线如图3 。l 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 一 ， 圈3 - 1 电工纯铁的磁化益线图 3 2 机械结构的设计 机械结构的设计包括磁极、磁轭、铁心、线圈和水箱等设计。根据技术 要求，初步设计各个部件外形和尺寸，确定相应的计算模型，用a n s y s 软 件进露有限嚣凳柝计算，以求得傻磁场满是技本要求豹最佳结构设计参数。 ( 关于有限元的计算将在后面的章节中说明) 。 机械结构设计的重点是能够实现各部件之间的协调工作，并要求容易加 工，装配方便，散热效果良好。 由于磁场产生装置被密闭于金属罩内，必须解决数热问题。为了有效地 散热，采用了水冷循环散热系统，将冷却水箱与线圈紧贴在一起，如图3 2 所示。装曼中线龋及铁心产生的热量经冷却永箱豹传导，遥过永循环导入到 散热器中，散热器吸收热量将水变冷，冷水再流回冷却水箱形成循环水冷系 匿3 - 2 水冷系统图 一一一 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 线圈只能绕在蘸磁极之闽鲍铁心上。为了冷却良好，水箱应该安装在图 3 2 所示的两线圈之间。而磁极和磁轭的形状要求与大小为0 2 5 0 1 5 0 i n m 左 右的空间糯适应，在有限的空间内，尽量提高线圈的安匝数，同时保证良好 的散热，困j 琏：合理设计线圈和水箱煞尺寸非常重要。 3 2 1 磁极磁轭和铁心的设计 在用a n s y s 软件进行有限元计算之前，簧初步设计模型的外形尺寸， 然后通过a n s y s 软件对模型的尺寸进行优化，从而得到最佳设计。 掇据有隈的空润，初步设计铁心为 2 妞盥x 7 0 m m x 2 0 m m 靛长方体。如 图3 3 所示，磁轭的b 面为1 5 0 角的扇形。设计要求中提到，磁极和磁轭要 与2 5 0 m m 1 5 0 衄左右大小的宅间相适应，因此在图3 3 所示磁轭的a 面 和图3 - 4 厨示磁极的c 面为半径为1 2 0 m m 的球蘑，磁极和磁轭采用螺栓连 接，磁轭和铁心也用螺栓连接。为了保证产生的磁场达到要求，所有的螺栓 和螺母的材料都采用电工纯铁。 根据技术要求，磁场工作点在磁极上方豹5 m m 处，鼙该点的磁场建磁 极所产生的漏磁场，两磁极之间的气隙大小对工作点磁场豹大小影响很大。 当空气隙的尺寸过小时，则绝大部分磁通线将集中程磁极的空气隙处，漏磁 很小，甚至可戬忽珞；当空气隙豹尺寸较大时，漏磁的影响比较明最，磁扩 散比较严重。为了使得工作点的磁感应强度达到熙要求的最大傻，在铁心及 线圈尺寸的限制条件下，空气隙的尺寸必须进行优化，取得最佳值，这将在 质甏的章节中兵体奔绍。 面 b 面 霪3 。3 磁轭篱图 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 e 覆 图3 4 磁极简图 电工纯铁肖聚磁的作用。根据曰= ；群，当日保持不交时，口的大小与磁 导率p 的大小成正比例变化。从电工缝铁的磁化蝗线( 隔3 1 ) 中可以者出， 电工纯铁的磁导率是空气的磁导率的6 0 0 0 1 2 0 0 0 倍，因此在磁场强度相同 的情况下，电工纯铁的磁感应强度是空气中磁感应强度的6 0 0 0 1 2 0 0 0 倍o ”。 在图3 6 中所示的磁极、磁轭、铁心和气隙形成的越路中，磁极、磁轭和铁 心的相对磁导率很大，所以在磁极、磁轭和铁心中的磁压降比较小，而气隙 中的磁压降比较大，使得气隙部分的漏磁较多。为了使气隙正中间5 h 毗以上 的工作点的磁感应强度达到最大僵，必须合理设计磁极鹩形状。 ，隙横截面 与磁轭相连接一佣 匿3 5 磁极俯视阁 西南交通大学领士蟊壹擎翠i 豸锈受琶f & 繁 鬟薹霎囊熏鬻蓁雾慧冀薹羹羹羹 台l 臻璺挺登蟹礴氆蹬塑爱剥型套坠舅篓；戛备理盔置线圈和水箱空 间查_ ；l ! = 绩；醵翳姆媚纂蛆瓣剿烈剿叫鳞戮羹愧曩厘她；捌到融型犁势粕剖澍 潞烈舔誊誊酥弱，塑强靼避塑畦鳐硐刊j 毫流涌过曙潇露峰灞速面触瓯墅 涮融m 铲彰隧啥嘱j 象龇唑唰期蚓蹦誊裂赠蠼吗。蜮戳彰孥学懑譬堙 灞嘲淄堙秽1 新睡酾强勰滗稿誓蓉； 囊。l 萋鍪熏蚕。冀蠹墓鐾囊荔薹囊囊羹l 囊戮囊 甏d 糠茁瓣妪嚣砖圈酾巍邑赫锻韪霞黼蚌曲? 高崭誉霉半街辫糊酣黥耧驿姻甄! 雷工作稳定綦掣拳荆氅，慧塑霪雕薷型t 。能砖骑k 辩驻瞵鞠辨鹾鹊研聊口狞越醚魏孵婪鞠茬薛；褂国蕊溪省 赢罐晤瀣嚆滔。戮鞠酬誊剐霞i | 囊矧正 钢翱粒謦孽臻瘿甄靼攫噶增理吆】 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 p 水的密度，为1 o 1 0 3 题一； d 进水管和出水管的内径。 拐步设计两个水箱的迸密水管的内经为4 m m 的纯铜管。 在环境漩度为3 0 0 c ，迸水管和出水管鸵温度差为2 。c 的情况下，计算 出进水管和出水管水的流速为o 3 8 6 州s 。 西南交通大学硕士研究生学 嶷论文第2 0 页 第4 耄磁场产生装置的磁场计算 第3 章中确定了磁场产生装鬣各部件的材磁，并对初步设计了各部件的 终形尺寸，对线圈和冷却装震的设计也作了详鲴分拆。健这样的设计朱必能 够满足设计要求，必须通过有限元分析，计算出工作点的磁感应强度大小并 对计算结果进行分析，赢看结果是否满足设计要求。在这一章节中将介绍商 关磁场产生装藿的磁场计算鲍内容。 4 1 电磁场正、逆问题数值分析的任务和内容 电磁场豹数值分析分为派润题和逆闷题两种； 正问题是根据电磁场的纂本特性，即基予麦壳斯韦方程维，分步骤进行分拼； 一、建立逼近实际工程电磁场正问题的连续性的数学模型，采用相应的 数篷计算方法，经离数他处理， 巴连续整数学模型转化为等价的离教型数学 模型由离散数值构成的联立代数方程组( 离散方穗组) ，应用有效的代数 方稷组解法，计算出待求离散数学模型的离散解( 即场量的数值解) ： 二、在掰得该电磁场正闻莲的常量( 含使函数) 离散解的基础上蒋经各 种后处理过程，就可以求出所需的场域中任意点处的场强、任意区域豹能量、 损耗分布，以及力、力矩和各类电磁参数与性能指标等，以达到对给定的工 程电磁场正问题进行理论分析、_ 工程判断乃至优纯设计等目的。 综合电磁场正问题数值分柝处理的全过程，其滚稷墨如图4 1 所示。电 磁场正问题数值分析的核心内容是各种数值计算方法，这些算法是将原连缕 性数学模型转化为等价的离散性数学模壁的基础。 与电磁场正问题相对 x ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 小一些；而在其它地方可以划分褥大一些。两图4 3 所示豹模型是对称模型， 因此可瞄稍用其对称谯，瑕揍型豹l 4 进行计算，箕l ，4 揍型魏图4 罐所暴， 为了更清楚地表达铁心、线圈、磁轭和磁极的内部结构，也没有溺出空气层。 但在计葬时，空气层翔样不能省略。 x 向 鹜4 3 磁溺产生装置三维简溺 聪l ，4 模型进行分析时，在划分的单元数量相同的情况下，痰于模型豹 体积变为原来的1 4 倍，睽以相当予划分的单元数量比对整个模型的划分的 单元数量要多三陪，因此对1 4 模型的计算更糟确。 畿 阉4 4 磁场产生装置的l ，4 横型简圈 罄南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 4 3 2 针对建立的模型在a n s y s 环境中选择计算方法 根据磁场产生装置的特点，要计募的磁场覆予三维静态磁场，计算方法 选择适用于三维静磁场的标势法。标势法的理论基础是麦克斯书方程组，由 于是静态场，所以没有时间变化，那么麦克斯韦方程组变为： v 玎= ，+ 罢v 嚣= 一罢 v 脏户 v 露= o 西盘 简写为：v 圩= ， v b = o 盯= 日。一v 母。 a n s y s 软件先计算中。节点值，再 占算磁通密度： b = “ i 式中 h 一磁场强度； j 电流密度； d 一电通密度； 卜时间； 8 一磁感应强度； e 一电场强度； “磁导率： 帮，一计算点磁场强度； p 一电荷密度； 币，一计算点标量磁位。 由此可见，标势法是通过计算磁标势m 。来计算磁通密度b 的大小和方 向的【2 1 。标势法中又分三种：缩减标势法、差分法标势法和广义标势法。 续减标势法适用于没鸯电流源豹馁悸模型。 差分标势法用于模拟包括电流和导磁介质的模型，其中导磁介质是单连 通的。 广义标势法用于模拟包括电流源和导磁介质的模型。导磁介质是多连透 翁。 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ - _ 一 器南交通大学硕士酝究生学位论文雾2 j b 贾 新要设计的磁场产生装置是有电流源的，另外导磁介质是擎联通豹，所 以选择差分标势法进行计算1 7 1 。 4 3 3 对磁场产生装置迸行计算的主要步骤 用a n s y s 软件进行电磁场计算，主要有以下几个步骤： 一、设鬣物理环境。包括过滤图形界面以及选择单元类型。 与标势法对赢的单元类型是三维瓣磁实体拆基。哭存s o l d 9 6 是磁实体 标量，因此选择s o l m 9 6 单元。另外，在空气层的外表面加表面无限边界单 元i n f i n 4 7 单元，对远场空气进行单元划分。 设萋空气的棚黠磁导率为l 。第3 章节孛已经确定了铁心联磁极的材拳季 为电工纯铁，电工纯铁的相对磁导率不是常数，因此设置铁心、磁极和磁轭 的材料b h 曲线，电工纯铁的b h 曲线如3 1 节中的表3 2 所示。线圈采用单 元类型为s o u r e 3 6 的跑道型线圈，该线溺模型在a n s y s 软俸中胃自动生 成。 二、建驻模型，给模型区域分配属性，划分网格。划分网格时，不规则 形状豹模型般采焉自动划分。为取褥更猴确豹结栗，在磁极和磁极上方的 空气等关键部分进行细分。 三、施加载荷和边界条件。 首先，初步设置线圈的安匝数鸯3 5 安匮。在以上章节中已经确定了线 圈的匝数为9 6 0 ，故为了使得安匝数为3 5 0 0 安匝，线圈需要通过的电流为 3 6 5 a 。 其次，设薰边界条件。由予建立的计舞模型为l 霹模毅，敌对图4 3 所 示的模型在y z 平面内的对称面和在x z 平面内的对称面上施加边界条件。 在y z 平面内的对称面内，磁感应强度是囊直该对称面的，应该在此面内施 加垂壹边赛条j 牛，露在另外一个对称卺内寂该麓加平行边界条伟。在a n s y s 软件中计算三维电磁场时，平行边界条件是自动满足的，敏只用旌加垂壹边 界条件即可。 四、选取求解方法，进行求解【粥。 在4 1 3 2 节中已经选定了求解的方法为标势法中的差分标势法。 4 3 计算缩采分析 蘸藤交通夹学硕士磷究生学位论文筹2 7 页 在对计算结果分析时，首先要对计算后豹a n s y s 文件进行后处理。 a n s y s 软件中的基本后处理方法很多，包括结果文件的形式和内容，结果 文件的读入，对结果进行列表、显示、查询，路径操作，载荷工况组合，单 元衷，等值线( 等值面) 处理，结果剖面图，结果切面阁，图形及动画的获 得，模型的处理，多窗口撵作等。 在后面的章节中要用劐蹒经豹搡作，因此这墨俺要介绍后处理孛路径的 相关内容，不秀介绍其宅爱处璞搡律豹内容。 所谓的路径，就是在模凝上拾取一些点，形成的一个折线，而在路径上 程序有很多差值点，可以沿路径得到很多点的数据。同样一个模型上可以定 义多条路径，互相间用路径名称区分。而同一条路径上有可以映射很多不同 的结果，可以用结果名称将冀区分开来。然后就可列袭并显示路径上的结果 了，还可以对其进行一定的数学运算。 路径的操作主要分为三个步骤： l 、定义路径； 2 、褥结采欧射劐路径土； 3 、显示或列表路径结果。 需要注意的是，有时着到的路径结果有不连续或缺一段的情况，其原因 在予路径有一部分已经不在模型上了，因此映射的数据是空的。所以要避免 这样的情况，保证路径上的点始终在模型上。 4 3 计算结果中的磁场分布情况 对磁场产生装置豹模型进彳亍有限元计算班君，要对计算后的a n s y s 文 辱进行蘑处理，从而提取并分析结果。 由于磁场产生装置的设计要求中提到，所要产生的磁场在x y 平面内且 平行于x 轴方向上的磁感应强度分布近似为正态分布。建立如图4 5 的直线 路径l ，路经l 关于y 轴对称。提取路径1 上的磁感陂强度占如图4 7 所示。 图4 - 7 中图形的峰值位嚣对鹿于图4 5 中x y 平西的y 轴位置，即磁感应强 度黝峰值在气隙的中间产生。 建立的路径l 是关予y 轴对称的，由图4 7 胃看出，磁感应强度在x y 平匿内关于y 轴对称，并滑x 轴的正方向和受方向递减，近戗正态分布。 横截面逐渐变小的磁极是产生如图1 所示的磁感成强度的主要因素。磁 极逐渐变小的横截面有利予使磁场聚集，使得磁极内部的磁感应强度沿磁轭 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 8 页 向气隙的方向逐渐变大，漏磁也不断变大，因此路经1 上的最大磁感应强在 y 轴上产生，进而形成了圈4 7 所示的磁感应强度分布图形a 路 工侔点 x 囱 图夺5x y 平嚣内建立的圆形路径l 设计要求中对y z 平面内( 即蘧直于工作气蒎的平医内) 的磁场分布形 状及范围都作了具体要求。首先，要求图4 5 中所示的y z 方向的磁场分布范 圈1 5 0 。，且磁场的大小程两端收敛。另外，要求在y x 平面内的磁场分布图 巾的峰值倥置在对称轴( 鄄y 轴上) ，磁场豹其体分布情况如图1 5 所示。 为了赢看计算后的a n s y s 文件中y z 平面内的磁场分布情况，确定在 y x 平霞内的磁场分布是否达到要求，需建立匿4 6 所示的图影路径2 。提取 圆形路径2 上的磁感应强度曰如图4 - 8 所示。图4 8 中图形的峰值位置对应 于图4 6 中y z 平面的y 轴位置，即磁感应强度的峰值在气隙的中间产生。 同样，建立的路径2 也是圆形路径，圈4 8 中豹坐标o 点和o 7 8 5 3 点是同一点。从图4 8 中可以看出，磁感应强度在y z 平面内荚于y 轴对称。 魇产生的磁场范围1 5 0 。，并沿z 辘的正方淘相受方向递减，实现磁感应强 度的两端收敛。 图4 6 所示的磁轭的形状有利予扩大产生磁场的区域。由于磁极具有聚 集磁场的作j j j ，使得在y z 平面内豹最大磁感应强度在y 轴上产生，并且漏 磁沿z 轴的正负方向两个方向对称递减，形成了图4 8 所示的磁感应强度分 衣。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 贾 图4 6 在y z 平掰内建立圆形路径2 0 u 2 7 0 4 2 3 q i 1 # 7 6 3 0 ， - e 5 2 0 5 5 4 9 2 5 哇，5 0 5 5 d i s m 图4 - 7 磁路l 上的磁感应强度分布图 一一- 拦南交避大学领士研究生学位论文第3 0 员 li ，、 _ - _ d i s t m 霭4 _ 8 圆形磁路2 上的磁场分布图 综上所述，赝建囊的磁场产生装爨的模型能够达到设计要袋，睽产垒的 磁场分布能够达到预定要求。 4 3 。2 计算结果中磁感应强泼的分橱 为了使工作点的磁感应强度的最大值不小予o 2 5 t ，必须合理设计磁极、 磁轭和铁心的材料和形状，线瀚的安匝数等，这些内容在第3 章中已经进行 了具体介绍。这里只分柝计算质的a n s y s 文件豹结果。 为了查肴工作点豹磁感应强度的大小，在x y 平蘧内建立豳4 9 所示的 路径3 。 西南交遴大学硕士研究生学位论文第3 1 页 图4 9 路径3 x 向 路径3 是关予工作点对称的一条直线路径，并且该煮线路径和y 轴重合。 从路径3 上的磁感应强度分布图中可以看出工住点的磁感应强的大小，进褥 可以校核计算结粱中磁场的大小是否达到了设计的要求。 将磁感应强度映射裂路径3 上，显示路径3 的结采鲤睡4 1 0 所示。在翔 4 - 1 0 中，横坐标为l x l 0 。的位置为工作点的位激，对应的磁感应强的值为 o 3 7 7 t 。 设计要求中要求工作点的磁感应强度最大值不小予o 2 5 t ，而计算后的 工俸点的磁感应强度为0 1 3 7 7 薯，这说暖在设置