基于ANSYS的永磁调速器磁场研究可复制黏贴 优秀毕业论文.pdf

分类号 th12 10710 2009125019 硕 士 学 位 论 文 基于 ansys 的永磁调速器磁场研究 牛晓博 导师姓名职称 胡志新副教授 申请学位级别 硕士 学科专业名称 机械电子工程 论文提交日期 2012年4月19日 论文答辩日期 2012 年 4 月 24 日 学位授予单位 长安大学 research on magnetic field of permanent magnet governor based on ansys a dissertation submitted for the degree of master candidate niu xiaobo supervisor prof hu zhixin chang an university xi an china i 摘 要 永磁调速器以磁力耦合技术为基础 利用导体转子在永磁转子所激发的磁场中做旋 转运动 从而在两转子间的空气气隙处产生交变磁场 以使电机与负载实现无接触且高 效率运转 作为一种新兴调速设备 永磁调速器以其卓越的技术优势被大量工程人员所 熟知 并在越来越多的场合得到应用 目前对永磁调速器的研究主要体现在应用及节能 效果方面 对于永磁调速器工作机理中所涉及的磁场分布问题却鲜有研究 本文从电磁场的理论出发 针对两种不同结构的永磁调速器磁场问题 结合不同结 构的磁场工作机理 分别通过理论方法进行了磁场分析 并基于理论分析结果 运用 ansys 软件中的电磁场分析模块对不同结构永磁调速器进行建模 求解出其工作磁场 的分布及参数值 验证理论分析结果的正确性 为永磁调速器的磁场研究提供了理论依 据 同时 利用 ansys 分析了不同结构参数对永磁调速器磁场的影响 为永磁调速器 的优化设计提供了有力参考 最后 在前面分析结果的基础上提出了一种新型永磁调速 器的结构 并对其磁场进行了简单分析 验证了此结构的合理性 通过对两种不同结构永磁调速器磁场的分析 得出了筒形永磁调速器的磁场分布明 显优于圆盘式永磁调速器 在相同的结构参数下 根据磁场分析结果可以得出 筒形永 磁调速器中工作磁场的强度更高 其永磁转子上所获得的输出扭矩更大 效率更高 其 次 通过 ansys 对不同转速下的磁场分布进行了分析 结果表明 在相同的气隙厚度 条件下 随着转速的提高 工作气隙处的磁场强度增大 从而拉动永磁转子的磁场力增 大 使永磁调速器输出扭矩不断增大 效率也随之提高 同时 由不同结构参数下磁场 的分析结果得到 永磁调速器结构中的气隙厚度与永磁体厚度对工作磁场的分布与强度 影响最大 最后 对提出的新型永磁调速器结构做了磁场分析 与前两种永磁调速器的 磁场分布相比 该新型结构设计合理 并且具有一定的优越性 关键词 永磁调速器 永磁体 磁场分布 磁感应强度 磁场强度 ii abstract permanent magnet governor pmg based on magnetic coupling technology which utilizing the conductor rotor rotary motion in the magnetic field excited by the permanent magnet rotor and thus produce an alternating magnetic field at the air gap between the two rotor so that the motor and load to achieve non contact high efficiency running as a new speed control device the pmg with its superior technical advantages is familiar to a large number of engineers and is applied in more and more occasions at present the research on pmg mainly focuses on the field of applications and energye saving the issues of magnetic field distribution in the mechanism of pmg was rarely studied the article used the theory of the electromagnetic field according to the magnetic field in the two different structure of the pmg combined with the working mechanism of the magnetic field in the different structure the issues of magnetic field are studied by theoretical analysis and based on the theory analysis using the electromagnetic field analysis module of ansys software to model the different structures of pmg and solve the working magnetic field distribution and the parameter values to verify the correctness of the theoretical analysis results which can provide theoretical basis for the research on working magnetic field of pmg meanwhile the impact of different structural parameters on the magnetic field of pmg has been analyzed by ansys which has provided a strong reference to the optimization design of the pmg finally a novel pmg structure has been proposed on the basis of the previous results and a simple analysis of its magnetic field is discussed in order to verified the rationality of its structure through the research of the magnetic field on two different structures of pmg the magnetic field distribution of the cylindrical pmg is significantly better than the structure of disc has been proofed and according to the results of magnetic field analysis the output torque of cylindrical pmg is larger and more efficient in the same structure parameters secondly the magnetic field distribution in the different speed has been analyzed using the ansys software and the results show that in the same air gap thickness as the speed increases the magnetic field strength of the working air gap increases and thus the magnetic force for driving the permanent magnet rotor increases in order to increase the pmg output torque and improve its efficiency in addition by the results of magnetic field analysis in different structural parameters the air gap thickness and the permanent magnet of pmg thickness are the most influential factors of the working magnetic field has been obtained at last the magnetic field of the new pmg has been analyzed compared to the magnetic field iii distribution of the first two structures which show that the structure of new pmg is reasonable and has certain superiority key word permanent magnet governor permanent magnet magnetic field distribution magnetic flux density magnetic field strength v 目录目录 第一章 绪论 1 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 2 国内外研究现状及发展趋势 3 1 3 课题研究的主要内容 4 1 3 1 永磁调速器的结构及技术特点 4 1 3 2 论文的主要工作 6 第二章 磁场与永磁材料 8 2 1 磁场的基本理论 8 2 1 1 磁场概述 8 2 1 2 磁场中的基本物理量 9 2 2 磁场的有限元分析 11 2 3 电磁场的基本理论 14 2 3 1 一般形式的电磁场微分方程 15 2 3 2 电磁场中常见边界条件 16 2 4 永磁材料 17 2 4 1 永磁材料磁性能 17 2 4 2 钕铁硼永磁材料 21 2 5 本章小结 22 第三章 圆盘式永磁调速器的磁场分析 23 3 1 圆盘式永磁调速器的结构及工作原理 23 3 2 圆盘式永磁调速器磁场的理论分析 24 3 2 1 永磁体模型的建立 24 3 2 2 空气气隙处磁感应强度的理论分析 25 3 3 有限元法及有限元分析软件 ansys 介绍 26 3 4 基于 ansys 的圆盘式永磁调速器磁场分析 27 3 4 1 圆盘式永磁调速器的静态磁场分析 27 3 4 2 不同结构参数对磁场的影响 32 3 4 3 圆盘式永磁调速器的瞬态分析 42 vi 3 5 本章小结 45 第四章 筒式永磁调速器的磁场研究 46 4 1 筒式永磁调速器结构及工作原理 46 4 2 筒式永磁调速器磁场的理论分析 47 4 2 1 筒式永磁调速器磁场的数学模型 48 4 2 2 空气气隙处磁感应强度的理论分析 48 4 2 3 铜导体的涡流分析 50 4 3 基于 ansys 的筒式永磁调速器磁场分析 51 4 3 1 筒形永磁调速器的静态磁场分析 51 4 3 2 不同结构参数下磁场分析 53 4 3 3 筒形永磁调速器的瞬态磁场分析 57 4 4 本章小结 60 第五章 新型永磁调速器的结构及磁场分析 62 5 1 结构的提出 62 5 2 结构设计 63 5 2 1 导体转子设计 63 5 2 2 永磁转子设计 64 5 2 3 永磁体设计 65 5 2 4 工作气隙的确定 67 5 3 工艺设计 69 5 3 1 装配设计 69 5 3 2 散热问题 69 5 4 新型永磁调速器的磁场分析 69 5 5 本章小结 71 结 论 72 参考文献 74 攻读硕士期间取得的研究成果 77 致谢 78 长安大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着科学技术的快速发展以及现代文明的高度提升 在能源短缺的当今世界 人们 开始越来越多的关注节能 环保 高效的生活方式及生产技术 在基础生产链上 亦是 如此 大型机械逐渐取代功能少而工种多的小型机器 生产流水线逐渐取代效率低而费 时间的人工劳动 因此 大量的机械设备在生产工程中占有很大的比重 如何更大的提 高机械设备的生产率 如何更充分的利用现有能源实现最优的能源匹配 实现节能环保 的目的 是我们现在工科学生特别是机械专业学生需要去攻克的问题 尤其对于旋转机械设备 如何将电机的输出功率充分传递给负载 使电机与负载之 间达到最优的能源匹配 并且在对负载调速场合能充分发挥机械设备的优势 使节能环 保技术在旋转机械中得到应用 是很多机械设备需要解决的问题 当然 在这个过程中 很多科研人员做出了很大的努力 相应的产品也无不推动着社会及工业技术的发展 调 速被国际上公认为电机最佳的节能方式 在此最大的突破便是液力耦合器和变频器的产 生及应用 其大大提高了生产率及能源的优化利用 使节能环保这一理念在工程机械的 应用当中得到了充分体现 液力耦合器作为一种常见的调速设备 工作时利用液体介质传递电机输入的转速 它的主动输入轴端与电机驱动轴相联 从动输出轴端与负载轴端联结 通过调节液体介 低 对精度要求低 具有一定的节能效果 1 然而 在液力耦合器产品逐渐成熟并被大 量应用后 其劣势也逐渐显现 如能量转换效率低 液压油要定期更换 调速精度低等 等 之后随着微处理技术的快速发展及变压变频调速的发展 在 20 世纪 80 年代中后期 发达国家的变频技术开始逐渐实用化 变频器这个新产品逐渐被熟知并广泛应用 变频器是通过改变电机工作电源频率方式 控制交流电动机 从而改变电机输出的 进而达到节能 调速的目的 2 从变频器的调速原理上可以看出 其在性能上要优于液 第一章 绪论 2 力耦合器 它可以实现软启动且电机通过变频调速后 电动机转轴直接与负载相连 但 是 电动机不再由电网直接供电 而是由变频器供电 具有优异的效率和功率因素特性 并且节能效果显著 因此它在旋转机械设备中所占的比重越来越大 并迅速地取代了原 生产线上最常见的减速器及调速器 但是 随着变频器在设备中大范围的应用 它的不 其次 在变频器安装时 若考虑变频器所需放置设备的机房 空调和控制电柜结构等成 本 且改善变压器绝缘费用和常见的改善电力质量的设备费用加上使用变频器所衍生的 负面影响 如谐波的危害 变频专用马达重置成本 寿命及其它电子设备的负面影响等 等 3 还有在电机与负载的刚性连接中 由于对中性不好而造成机器稳定性及安全性问 题 又如在连接中轴承等相关部件的损耗等问题 无不要求人们提出更优的方案来弥补 现有变频器的缺点 在变频器优于液力耦合器的同时 人们在实际工程应用中又提出了更高的要求 能 否在不影响电网电压且无接触状态下 实现负载与电机之间的无级调速 也就是说 是 否有一种装置 既拥有变频器高效率且节能的优点 又能兼顾液力耦合器结构简单 维 护容易的优势 最终 在大量科研人员的共同投入和努力下 永磁调速器这一革命性设备应运而生 并且对电网无污染 且工作时可以实现带缓冲的软启动 具有过载保护功能等优点 长安大学硕士学位论文 3 由此可见 永磁调速器具有前两者所不可比拟的优势 因此研究永磁调速器 特别 是对现有永磁调速器进行电磁场分析 从而提出优化的结构方案 对永磁调速器的发展 具有深远的意义 在做该项研究之前 笔者翻阅大量文献 发现国内关于永磁调速器的研究资料甚少 使对此有兴趣的学者止步不前 并且即使在国内现有的研究资料中 对永磁调速器进行 电磁学分析更为稀少 因此 该论文的撰写对永磁调速器的研究特别是电磁场的研究提 供了理论依据 为进一步研究该设备提供了参考 基于 ansys 的电磁场分析方面 很多人都只是处于试探阶段 关于电磁场的有限 元分析由于其涉及多场量耦合问题而让很多人望而却步 本篇论文在关于 ansys 的电 磁场分析中先通过理论引出分析模型 利用工程实践中得出的计算公式得出理论解 再 通过 ansys 软件进行求解 验证理论解的正确性 系统的阐述论证了 ansys 分析电 磁场的可行性与可操作性 对永磁调速器进行了优化的结构设计 为永磁调速器的发展起到了很好的推进作 用 使其性能得到了提高 也为大型机械设备的改进提供了更优的方案 解决了工程使 用中出现的调速范围窄 且设备稳定性不高等问题 从而大大降低了工程设备的运行成 本及维护成本 1 2 国内外研究现状及发展趋势 作为一个新生事物 永磁调速器从发明时间到目前为止不过 15 年时间 关于永磁 调速器的相关技术也是新时代刚兴起的一种新兴技术 它是利用永磁磁力驱动技术和调 速器共同实现永磁调速的目的 永磁磁力驱动技术的相关研究资料可查阅至 1995 年 4 该技术为近几年国际上开发的一种突破性技术 在 1995 年 美国相关科研人员开始开 发和研究利用导体圆盘与永磁体磁钢圆盘的相对运动产生涡流 涡流产生感应磁场与永 磁场相互作用 从而联接电机和负载 实现电动机的高效率运行 该研发出的成品就叫 做永磁磁力耦合器 随之美国的 magnadrive 公司在 1999 年在永磁磁力驱动技术上获得 了突破性发展 提出了一种永磁磁力耦合调速驱动器 permanent magnetic drive 即 永磁调速器 并获得了专利 之后在美国众多的企业 军方 应用在美国海军尼米兹和 斯坦尼斯号航空母舰上面 得到了广泛的应用 5 现有国内的永磁调速器产品 基本上是美国 magnadrive 公司产品的衍生形式 最 具代表性的为南京艾凌节能技术有限公司 该公司是一家专业致力于永磁调速系统研 发 设计 生产的新技术企业 同时 也是国内第一家专业从事永磁调速技术的研究 第一章 绪论 4 生产 应用的企业 其在调速器的研发上具有相当大的突破 在深入研究 应用第一代 圆盘式永磁调速器的同时 在全球率先创造性地提出了第二代永磁调速技术 并拥有 完全自主知识产权 为国内对于永磁调速器的研究起到了很大的推动作用 也为相关研 究人员提供了很好的参考 该公司将最初的第一代永磁调速器形式进行优化 提出第二 代 筒形永磁调速器 该结构与第一代产品相比 转子的形状得到了更好的改善 从而 使永磁转子与导体转子之间的磁场啮合面积增大 传递的扭矩变大 负载转速提高 截止到去年 已有 6000 台永磁调速设备得到成功的应用 而在中国 永磁调速器 的引入还不到 5 年时间 它的应用也仅仅是在中国的龙头行业 中石化 中石油和五大 电力公司 华润电力常熟有限公司将永磁调速器运用在电力系统的工业水泵上 中石化 将永磁磁力耦合调速器应用于冷却水塔的鼓风机上 6 虽然企业在对永磁调速器引进及应用上还很少 但是该设备的在发电 冶金 石化 采矿 造纸 供水 水务 水泥 灌溉等行业的离心式泵和离心式风机应用上不可取代 的优势 比如节能减排效果好 能源利用率高 维护费用低 安装方便等 将会在越来 越多的场合凸显出来 从而在国内得到广泛的应用 进而取得巨大的社会效益 1 3 课题研究的主要内容 1 3 1 永磁调速器的结构及技术特点 永磁调速器是一种利用简单的机械结构 高强度导体转子与永磁转子相互作用 实现电机与负载之间通过气隙进行扭矩传递 根据现有永磁调速器的结构大体可分为两 种 一种为圆盘式 其结构见图 1 1 a 另一种为筒式其结构见图 1 1 b 永磁调速器主 a 圆盘式永磁调速器 b 筒式永磁调速器 图图 1 1 永磁调速器结构示意图永磁调速器结构示意图 长安大学硕士学位论文 5 作为一种新兴的节能设备 其技术优点可表现为 1 绿色节能 该设备与其他调速设备相比 节电率可达到 60 并且能够实现无 级调速 且调速范围为 0 98 在运行过程中无电磁辐射污染与污染物 对电网环境 不产生污染 2 简单高效 从结构上可以看出其结构简单 元器件少 体积小 在安装调试简 单 且操作与维护方便 在满载情况下 其效率可达 98 3 安全可靠 该设备使电机和负载无机械联接 实现非接触扭矩传递 有效的隔 离振动 使传动过程平稳安全 且允许负载轴与电机轴产生 10mm 的轴向窜量 对中误 差允许值为 2mm 4 软启动性能 使用该设备 可以使电机和负载独立启动 具有启动性能好 对 电网电压的影响小 起动时间短 产生的热量小等优点 表 1 1 给出了永磁调速器与变频器 液力耦合器三种调速设备的技术特点 7 表表 1 1 1 1 永磁调速器与变频器 液力耦合器的技术特点比较永磁调速器与变频器 液力耦合器的技术特点比较 特点描述 永磁调速 变频调速 液力耦合调速 总费用 低 较高 最高 对中要求 低至 2mm 不需要激光 对中 激光对中 激光对中 减震效果 好 降低 50 85 较好 较好 维护工作量 及成本 小 接近免维护 成本 较低 高 较高 过载保护 可靠 完全排除因过载 造成的电机系统损坏 将异常停机时间降低到 最低 可靠 但异常停机恢复 时间长 可靠 但异常停机恢复 时间长 对现有设备 的影响 延长电动机系统现有设 备的寿命 特别是能够 大大延长轴承和密封件 的寿命 革命性地提高 整个系统的可靠性 高次谐波易破坏电动机 的绝缘 使电动机和负 载的寿命降低 低速时 对于内冷电机散热变 差 产生轴承电压和轴 承电流 使轴承和密封 件的寿命缩短 联轴器磨损问题较大 设计寿命 最长 20 30 年 较长 5 10 年 较长 10 年 电压波动对 电机系统的 影响 影响小 影响大 可能导致变频 器工作异常或者停机 影响较小 节能效果 节能效果与变频调速相 当 在低速时 节能效 果比变频器稍差 最高 损失较大 节能效果最 低 第一章 绪论 6 表表 1 1 1 1 永磁调速器与变频器 液力耦合器的技术特点比较永磁调速器与变频器 液力耦合器的技术特点比较 续续 软启动 电机和负载独立可以启 动 启动性能最好 对 电网电压影响小 起动 时间短 产生的热量最 小 较节能 性能较好 起动时间较 长 有较大的热量产生 性能较好 可以对电机 和负载独立启动 精度 高 较高 很低 设备价格 较高 较高 低 调速范围 较大 0 98 最大 可超频 最小 体积 小 大 较大 结构 简单 零件少 复杂 较复杂 对环境的 影响 对环境友好 可适用于 各种恶劣环境 包括腐 蚀 爆炸 潮湿 粉尘 含量高的环境 适应于 各种异步电动机 产生大量的谐波 同时 电网的质量又影响变频 器的正常运行 对使用 环境有较高的要求 包 括不能用腐蚀 爆炸 潮湿 粉尘较高的场合 同时对电机也有较高的 要求 不产生谐波 液压油易 污染环境 安装调试 允许较大的安装对中误 差 不需要激光对中安 装 大的安装误差不影 响系统效率 不产生震 动 安装调试简单 方 便 需要专门的房间 安装 调试复杂 周期长 安装调试复杂 日常维护 工作量小 不需要专门 的技能和专有维护平 台 由于减少了系统震 动问题 使得系统磨损 小 发热少 每年对轴 承抹点润滑油 每三年 更换一次轴承 需要专门的技能和维护 平台 对维护人员要求 较高 工作量大 由于震动问 题 轴承磨损大 更换 周期短 同时还存在漏 油现象 不需要专门的 技能和维护平台 从上表的比较中可以看出 永磁调速器的整体性能要优于变频器 因此其在某些场 合将逐渐取代变频器 而作为新一代调速装置 它对环境的适应能力 节能效果及投资 回报率等优点 非常适合在在对可靠性和节能降耗要求高的企业里推广应用 尤其适宜 在发电 石化 采矿等行业关键设备的改造应用 1 3 2 论文的主要工作 基于上述永磁调速器的基本表述 其技术参数值均是在试验或者使用过程中得到的 经验值 并没有进行专门的设计计算 尤其对于永磁调速器的磁场问题鲜有表述 因此 本文的研究工作即为对永磁调速器的磁场进行有限元分析 得到经过科学计算的理论 值 针对永磁调速器的磁场分析 本文基于有限元分析软件 ansys12 0 对导体转子和 永磁转子进行建模 并在静态和瞬态两种磁场环境下 求解出两转子之间的磁感应强度 长安大学硕士学位论文 7 磁力线分布等参数 为永磁调速器中电磁场的分析与测量做出了一些探索 并基于以上 分析 提出一种新型永磁调速器的结构 全文分五章 主要内容如下 第一章 阐述了课题研究的背景及意义 简单介绍了国内外在永磁调速器方面的研 究概况及发展趋势 对永磁调速器的原理及特点进行了简单论述与分析 第二章 介绍了磁场的基本理论 电磁场及有限元的相关内容 并对磁性材料及其 特性进行了简单概述 第三章 对现有永磁调速器的第一种形式 圆盘式永磁调速器进行了磁场分析 首 先通过理论方法 求解出调速器处于静止时的静态磁场磁感应强度值 其次 运用 ansys 对圆盘式永磁调速器进行了磁场的有限元分析 得出该结构形式下的静态磁场和瞬态磁 场分布 最后通过改变结构参数得出影响磁场分布的结构因素 第四章 对第二种永磁调速器形式 筒形永磁调速器进行了磁场分析 首先通过建 立筒形永磁调速器的结构模型 分析瞬态磁场下的涡流分布及磁感应强度值 并基于 ansys 对筒形永磁调速器进行建模和分析 得出不同于圆盘式永磁调速器的磁场分布结 果 最后通过分析得到在不同结构参数下的磁场分布情况 第五章 针对已有调速器结构 根据其各自磁场分析结果 提出了一种新型的永磁 调速器 对其进行了有限元分析 并将结果与现有结构得出的结果进行了比较 最后 总结了全文的内容 并对下一步研究工作进行了展望 第二章 磁场与永磁材料 8 第二章 磁场与永磁材料 本文对永磁调速器的研究 主要是基于 ansys 的有限元法对永磁调速器空气气隙 处的磁场进行分析 求解出永磁转子所激发的磁场的磁力线的分布以及作用于导体转子 上铜导体的磁场强度等参数 本章从磁场的基本理论出发 引出了研究永磁体磁场的有 限元法 并简单叙述了磁性材料及其特性 为深入研究永磁调速器的磁场特性奠定理论 基础 2 1 磁场的基本理论 磁现象有关 2 1 1 磁场概述 力矩皆源于此 而从现代理论的角度来看 磁力即是电场力的相对论效应 以磁场即是无源有旋场 长安大学硕士学位论文 9 2 1 2 磁场中的基本物理量 1 磁感应强度 磁感应强度 magnetic flux density 是描述磁场强弱和方向的基本物理量 为矢 量 常用符号 b 表示 在定义磁感应强度时有两种方式 一种是用一段电流li 受的磁 场力定义 另一种是用运动电荷受的磁场力来定义 由于本文所研究的对象为运动导体 在此依据运动电荷所受磁场力的方式来定义磁感应强度 图 2 1 表示电量为q的电荷用速度v在磁场中运动情况 v1与 v2在与磁极 n 和 s 垂 直的平面内 即 yz 平面 v3与磁极 ns 平行 即垂直 yz 面与 ox 轴平行 实验发 现若 v1 v2 v3 电荷 q 在 p 点收到的磁力并不同 运动方向与 ns 磁极垂直的电荷受力 最大 这样的方向在 p 点有无限多 在 yz 面内的都有最大值 运动方向与磁极 ns 平 行的电荷受力为零 这样的方向有两个 一个沿 ox 轴 即小磁针的 n 极的指向 另一 个沿 ox 轴的相反方向 若去掉一个与 ox 轴反方向的方向 那么运动电荷在 p 点受磁 力为零的方向就是惟一的 8 我们就用这个惟一的方向定义 p 点的磁感应强度的方向 则 f 方向为 v b 的方向 见图 2 2 若用 v0 b0 f0分别表示 v b f 方向的单位矢 量 则有 000vfb 2 1 图图 2 1 磁场中运动电荷的运动简图磁场中运动电荷的运动简图 图图 2 2 v b f 方向关系方向关系 实验指出带电粒子在磁场中运动时在某点受到的磁场力大小与带电粒子的电量 q 带电粒子的速度 v 该点的磁感应强度 b 及 v 与 b 的夹角的正弦成正比 sin fqvbv b 2 2 用上式定义磁场中某点磁感应强度 b b 的大小为 第二章 磁场与永磁材料 10 sin f b qvv b 2 3 b 的方向是运动电荷沿 b 运动时不受磁力的方向 也是磁针 n 极的指向 称为零 磁力方向 式 2 2 也可写成 fqv b 2 4 上式表达了运动电荷在磁场中受到的磁力 该力称为洛伦兹力 磁感应强度的单位由定义式 2 3 得知是 n c m s 1 叫做特斯拉 记作 t 也常用 高斯 gs 做磁感应强度的单位 高斯不是国际单位 两者关系为 1gs 10 4t 由于磁感应强度 b 为矢量 因此可以在分析与求解中 用带箭头的线段来表示其大 小与方向 该线段叫做磁感应线 又叫磁场线 它是磁场中虚拟的一些曲线 曲线上每 点的切线方向即为该点的磁感应强度 b 的方向 在本文中可通过有限元软件的求解得出 永磁体转子所激发的磁场周围的磁场线 从而直观的表现永磁体转子的磁场分布 2 磁化强度 9 磁化强度是描述磁介质被外磁场磁化时 其磁化状态的物理矢量 通常用符号 m 表示 定义为 单位体积内的所有分子磁矩的矢量和 若从某个磁介质内任取一个体积 元 v 该体积元中密布着许多的磁分子 每个磁分子从分子电流的理论来讲 相当于 一个环形电流 用 m分子代表单个分子的磁矩 则 m m v 分子 2 5 m 的国际制单位为 h m 亨 米 此时参与磁化的分子数目一定 磁化强度也就达到 m 的极限 ms 饱和磁化强度 3 磁场强度 10 磁场强度为表征磁场特性的另一个物理矢量 用以说明磁场激励的大小 用 h 表征 定义式见 2 6 长安大学硕士学位论文 11 0 b hm 2 6 式中 0 410 7h m 为真空中的磁导率 h 的国际单位为 h m 亨 米 在真空中 由于永磁体外部不存在磁化磁场 m 0 因此 0 b h 2 7 4 磁通量 在处理与磁性有关问题时 除了要用到上述的几个参数外 常常还要讨论穿过一块 面积的磁力线数目 即磁通量 严格上定义应该为垂直穿过单位面积的磁连线叫做磁通 量 它是从数量上反映磁力线的疏密程度 与磁感应强度类似 哪里的磁场越强 哪里 的磁感应强度的数值就越大 磁力线就越密 磁通量就越大 因此 该物理量也可以直 观的反映本文所要表现的磁场分布 且与磁感应强度存在关系式 2 8 ba 2 8 2 2 磁场的有限元分析 永磁调速器主要是依靠导体盘旋转切割永磁转子所激发的磁场 使产生的磁感应力 带动永磁转子旋转从而实现负载的转动 因此对永磁转子的磁场分布及相关参数的研究 对永磁调速器在工程上的应用提供了强有力的理论依据 并对合理设计该机构及进行机 构的结构优化设计具有重要的意义 对于永磁体磁场的有限元分析 从物理学的角度来讲 可归类到电磁场的相关内容 自身的特点 在求解电磁场的实际应用过程中 可以根据具体问题选择最优的方法 11 1 解析法 但是 对于某些内部复杂的电磁场问题 该方法却不适用 第二章 磁场与永磁材料 12 2 图解法 题 往往显得不够精确 3 模拟法 模拟法是通过理论的推导得到相关的数学表达式 并用相同尺寸做出类似的装置来 际中做出类似的装置来进行实验分析 因此 数值法在使用中也是具有一定的局限性 4 数值计算法 12 较广泛的应用与发展 模拟电荷法 1 有限差分法 也不适用于场量变化剧烈的场合 2 有限元法 长安大学硕士学位论文 13 建立系统的联立方程组 阵 计算时便于节约内存 区域问题求解 这样会产生一定的误差 3 积分方程法 边界积分法 边界元法 性也好 积分方程 离散仅需在边界上进行 可以减少对计算机内存的要求和节省计算时间 第二章 磁场与永磁材料 14 磁场计算中应用最为广泛的方法 据此 本文采用有限元法对永磁调速器进行电磁场分 析 对于本文采用有限元法进行研究 优越性表现为 2 3 电磁场的基本理论 虽然 本文所研究的对象中励磁源为永磁体 在工作空间上不存在电流的作用 但 是从分子电流理论角度来讲 磁场的产生是由大量的具有一定方向的分子电流的运动 电磁感应定律 高斯电通定律 简称高斯定律 和高斯磁通定律 亦称磁通连续性定律 13 ds t dl d jh 2 9 式中 j 为传导电流密度矢量 a m2 d t 为位移电流密度 d 为电通密度 2 法达第电磁感应定律 分表示为 ds t dl b je 2 10 长安大学硕士学位论文 15 式中 e 为电场强度 v m b 为磁感应强度 t 或 wb m2 3 高斯电通定律 曲面的积分 用积分形式表示为 sv dvds d 2 11 式中 为电荷体密度 c m3 v 为闭合曲面 s 所围成的体积区域 4 高斯磁通定律 式表示为 s ds0b 2 12 上述定律的积分形式 都可以用其微分形式表示 也就是微分形式的麦克斯韦方程 组 它们分别对应下面四个等式 t d jh 2 13 t b e 2 14 d 2 15 0 b 2 16 2 3 1 一般形式的电磁场微分方程 第二章 磁场与永磁材料 16 2 17 也就是说磁势的旋度等于磁通量的密度 而标量电势可定义为 2 18 2 电磁场偏微分方程 2 19 2 20 式中 和 分别为介质的磁导率和介电常数 2 为拉普拉斯算子 2 21 2 3 2 电磁场中常见边界条件 或 2 22 长安大学硕士学位论文 17 2 23 2 24 电磁场的有限单元法 是根据上述的麦克斯韦微分方程组和相应的边界条件 结合 或矢量磁位导出 14 2 4 永磁材料 作为永磁调速器中永磁转子的核心部分 永磁体的材料特点及性能与本文的研究内 容密切相关 并且永磁体主要为设备仪器提供所需磁场 广泛应用于计算机 家用电器 仪器仪表 磁力机械等仪器设备中 并已经作为当今各行各业非常重要的功能材料 因 此有必要对永磁材料做简单介绍 众所周知 永磁材料作为磁性材料中的一种 它的磁化状态很难改变 主要用来贮 存磁能 为设备提供所需磁场 使其在工作空间中产生持久作用的磁能 目前 常用的 永磁材料按照发明的先后顺序有铝镍钴 alnico 钡铁氧体 ba ferrite 和锶铁氧体 sr ferrite 钐钴 smco2 17 型和 smco1 5 型 和钕铁硼 ndfeb 15 其中钕铁硼以其高 的磁性能 自问世以来在工业和民用的永磁机构中得到了迅速的推广应用 因此在永磁 调速器中的永磁体就选用钕铁硼作为永磁材料 下面通过对永磁材料磁性能的介绍 分 析永磁调速器用永磁体 钕铁硼永磁体 为下一章的磁场分析提供有力的理论依据 2 4 1 永磁材料磁性能 1 磁滞回线 16 第二章 磁场与永磁材料 18 图图 2 3 磁性材料的磁滞回线磁性材料的磁滞回线 2 剩磁密度与矫顽力 表表 2 1 永磁材料的剩磁值永磁材料的剩磁值 材料 剩磁密度 br t gs 铝镍钴 0 8 1 4 8000 14000 钡锶铁氧体 0 2 0 44 2000 4400 钐钴 1 5 型 0 85 1 05 8500 10500 钐钴 2 17 型 1 1 14 10000 11400 钕铁硼 1 1 1 52 11000 15200 当 b 0 时 对应的磁场强度值称为磁感应强度矫顽力 简称矫顽力 用 hc表示 长安大学硕士学位论文 19 生的空间磁场也会有所提高 17 3 退磁曲线 图图 2 4 磁性材料的退磁曲线与内禀退磁曲线关系图磁性材料的退磁曲线与内禀退磁曲线关系图 4 磁能积 表表 2 2 永磁材料的磁能积永磁材料的磁能积 材料 bh max mgoe kj m3 铝镍钴 1 11 8 88 钡锶铁氧体 1 4 5 8 36 钐钴 1 5 型 16 26 127 207 钐钴 2 17 型 22 32 175 255 钕铁硼 30 56 239 446 第二章 磁场与永磁材料 20 5 内禀退磁曲线 2 25 即 2 26 而在有外磁化磁场时 2 27 上式表明 磁性材料在外磁场的作用下 磁感应强度大大增强 由上式也可以看出 表 2 3 给出了几种永磁材料的矫顽力 表表 2 3 永磁材料的矫顽力永磁材料的矫顽力 材料 hci hc ka m oe ka m oe 铝镍钴 40 159 500 2000 38 155 480 1950 钡锶铁氧体 159 358 2000 4500 143 318 1800 4000 钐钴 1 5 1194 2388 15000 30000 637 796 8000 10000 钐钴 2 17 1194 2388 15000 30000 717 844 9000 10600 钕铁硼 955 2388 12000 30000 796 1115 10000 14000 6 居里温度 长安大学硕士学位论文 21 表表 2 4 永磁材料的居里温度永磁材料的居里温度 材料 铝镍钴 钡锶铁氧体 钐钴 1 5 型 钐钴 2 17 型 钕铁硼 tc 800 860 465 750 800 850 312 420 2 4 2 钕铁硼永磁材料 错误错误 未定义书签 未定义书签 钕铁硼永磁材料属于磁性材料发展的第三代稀土永磁材料 其剩余磁感应强度 br 用钕铁硼作为永磁调速器中永磁转子的励磁源的原因 下图为不同温度下钕铁硼永磁体 的内禀退磁曲线和退磁曲线 图图 2 5 钕铁硼永磁体的内钕铁硼永磁体的内禀禀退磁曲线和退磁曲线退磁曲线和退磁曲线 表表 2 5 钕铁硼钕铁硼 n35 的主要性能参数的主要性能参数 材料 牌号 剩磁感应强度 br t gs 矫顽力 hcb ka m 内禀矫顽力 hci ka m 最大磁能积 bh max kj m3 工作温 度 n35 1 17 1 21 860 915 955 263 279 80 第二章 磁场与永磁材料 22 2 5 本章小结 本章将本文分析中所涉及的磁场基本理论进行了详尽的阐述 包括磁场分析中的几 个重要物理量 并针对磁场进行分析的几种计算方法进行比较 结果表明有限元法是其 中最有效的分析方法 本文即是利用该方法对永磁调速器磁场进行分析 以及电磁场的 基本理论 特别是电磁场的微分方程 为下文奠定了理论基础 同时还简单介绍了永磁 材料及其性能 并通过比较得出钕铁硼永磁材料的工作性能最佳 因此这也是永磁调速 器结构中采用此材料作为励磁源的缘由 并对其性能进行了简略介绍 长安大学硕士学位论文 23 第三章 圆盘式永磁调速器的磁场分析 本章首先以理论分析为依据 对第一代永磁调速器 圆盘式永磁调速器进行磁场分 析 通过实例运用理论方法对圆盘式永磁调速器磁场进行数学建模 得出理论求解结果 其次通过有限元分析软件 ansys 对其进行实际建模分析 从磁场的静态和瞬态两种状 态下分别分析 并后处理得到相关磁场参数 最后 分析了在改变不同的结构参数下的 磁场参数及分布变化 从而得出圆盘式永磁调速器在不同情况下的磁场分布 3 1 圆盘式永磁调速器的结构及工作原理 圆盘式永磁调速器的结构如图 3 1 所示 它是通过导体转子盘与永磁转子盘产生相 对运动 导体转子与电机轴输出轴相连 由电机带动其旋转 使导体转子在永磁体激发 的磁场中做切割磁力线运动 从而在导体转子上产生交变感应磁场 交变感应磁场与交 变永磁场共同作用 产生扭矩 将动力从动力侧传到负载侧 其结构由导体转子 永磁 转子 调节机构三部分组成 a b 1 电机轴 2 导体转子 3 空气气隙 4 气隙调节器 5 负载轴 6 永磁转子 图图 3 1 圆盘式永磁调速器结构圆盘式永磁调速器结构 在工作时 通过调节导体转子与永磁转子之间的距离也就是调节气隙的大小 气隙 大 传递的扭矩小 负载转速低 反之亦然 工作磁场原理图如图 3 2 所示 永磁体在 机构中激发磁场 当导体转子上的铜导体远离永磁体时 穿过导体上的磁力线减少 由 导体感生的磁场也就相对较弱 此时 由铜导体上的感应磁场和源磁场共同产生的磁力 扭矩小 驱动的永磁转子转速低 而当铜导体接近永磁体时 穿过导体上的磁力线数量 增多 导体感应磁场增强 致使总的交变磁场增强 磁力矩大 驱动负载的转速也就提 高 第三章 圆盘式永磁调速器的磁场分析 24 1 导体 2 气隙 3 永磁体 图图 3 2 圆盘式永磁调速器的工作磁场原理圆盘式永磁调速器的工作磁场原理 3 2 圆盘式永磁调速器磁场的理论分析 由调速器的结构可以看出 机构中的磁场主要由永磁体激发 若要进行磁场分析计 算 首先要建立永磁体的数学模型 然后通过磁场数值的计算方法得出永磁空间磁场的 解析表达式 最后通过确定具体参数计算出永磁体外部空气气隙处的磁场强度 为圆盘 式永磁调速器磁场分析计算给出一定的理论依据及参考 3 2 1 永磁体模型的建立 法国科学家安培在分子电流观点上曾提出 磁铁的最小单元是磁分子 而这些磁分 子可以看成是环形电流 只是在磁体内按照一定方向排列起来 从而在宏观上就显示为 n s 极 这在后来被称为 安培分子环流假说 由此可以推广出磁场与电流的关系 即任何磁场都可以认为是由分布电流产生的 在平行于 mr的永磁体侧面上 存在着一层等效面电流 如图 3 3 所示 长安大学硕士学位论文 25 图图 3 3 永磁体面电流模型永磁体面电流模型 这是由于永磁体与其以外区域的交界面上 mr出现不连续情况 等效面电流可以用 面电流密度 js来表示 0 nm j r s 3 1 式中 mr 永磁体剩余磁化强度 n 永磁体侧面外法向单位向量 0 真空磁导率 并且在模拟永磁体的等效面电流层与其它媒质的交界处 满足以下边界条件 s nn j aa aa 2 2 1 1 21 11 3 2 式中 a1 a2 磁场矢量磁位 1 2 交界面处不同介质的介电常数 3 2 2 空气气隙处磁感应强度的理论分析 根据安培环路定律可知 永磁体空间磁场的磁感应强度沿任何封闭曲线的线积分等 与电流密度的关系 vs sv dsdv 33 0 4r rj r rj b 3 3 其中 0 v j 第三章 圆盘式永磁调速器的磁场分析 26 式中 r 永磁体到空气气隙任一点处的矢径 r 永磁体到空气气隙任一点处的距离 v 永磁体体积分区域 s 永磁体与空气交界面区域 将永磁体尺寸带入上式并加入边界条件 最后求得单个永磁体在空气气隙沿轴向不 同点处的磁感应强度如下表所示 表表 3 1 不同气隙处的磁感应强度不同气隙处的磁感应强度 距离 mm 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 1 2 3 4 5 磁感应强度 t 0 615 0 603 0 587 0 570 0 556 0 507 0 498 0 439 0 384 0 332 根据磁场的线性叠加原理 当两个或多个永磁体构成一个系统时 该系统的空间磁 感应强度及磁场分布是各个永磁体各自单独作用时磁场分布的线性叠加 那么 圆盘式