永磁直线发电机建模及其性能研究毕业论文.doc

上海海洋大学2009届毕业设计（论文） 永磁直线发电机建模及其性能研究永磁直线发电机建模及其性能研究毕业论文目 录第一章绪论31.1 永磁直线发电机的国内外研究现状31.1.1 永磁直线发电机的发展及研究现状31.1.2 永磁直线发电机的主要特点51.2 永磁直线发电机面临的主要问题51.2.1 磁路结构和设计问题51.2.2 控制问题61.2.3 不可逆退磁问题61.2.4 成本问题61.3 横向磁场电机工作原理及特点61.4本文研究的主要内容8第二章 横向磁场永磁直线发电机的结构设计102.1 海浪能工作特性102.2 发电机模块化结构设计102.2.1动子模块化结构结构102.2.2定子模块化结构结构112.3发电机工作过程122.4 发电机所采用的铷铁硼永磁材料的工作特性12第三章 横向磁场永磁直线发电机有限元模型建立和优化设计143.1发电机电磁场分析原理和电磁场的计算方法143.2 ANSOFT三维电磁场有限元分析软件153.3发电机有限元分析模型建立173.3.1发电机整体模型173.3.2发电机局部模型203.3.3发电机有限元分析模型网络划分213.4永磁体尺寸的优化设计213.4.1 永磁体优化理论213.4.2 永磁体优化静磁场模拟和分析23第四章 横向磁场永磁直线发电机动态仿真分析及结果264.1发电机动态仿真分析方法264.2发电机动态仿真分析过程274.3发电机动态仿真分析结果29第五章 横向磁场永磁直线发电机输出电能转换装置设计325.1 转换装置的整流电路部分325.2 转换装置的逆变电路部分325.2.1 逆变电路PWM控制的基本原理325.2.2 逆变电路的控制方法33第六章 结论和工作展望356.1结论356.2工作展望36参考文献37致谢38I上海海洋大学2009届毕业设计（论文） 永磁直线发电机建模及其性能研究第一章绪论海洋能是取之不尽、用之不竭的清洁能源。【1】利用海洋能发电能够改善能源结构和环境, 有利于解决我国能源长期的需求短缺问题。海洋能作为一种新型的可再生能源, 据估计，波浪能量可达117亿kw以上, 全球的可开发量远 远超过目前的发电功率, 大规模地开发海洋能可以缓解能源紧缺, 是解决中国能源问题的一条有效途径。众所周知，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。为了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以电流来产生磁 场，例如普通的直流电机和同步电机。这种电励磁的电机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；另一种是由永磁体来产生磁场。由于永磁材料的固有特性，它经过预先磁化（充磁）以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场。这既可简化电机结构，又可节约能量。这就是永磁电机2。海浪能具有直线往复运动的特点，为了减小发电机体积，提高海浪能的利用效率，故而我们设计出了一种直线永磁发电机。1.1 永磁直线发电机的国内外研究现状1.1.1 永磁直线发电机的发展及研究现状【2】 永磁电机的发展是与永磁材料的发展密切相关的。我国是世界上最早发现永磁材料的磁特性并把它应用于生产实践的国家。 早在两千多年前，我国就已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 (Fe304)，磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大，不久被电励磁电机所取代。 由于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人研究，相继发现了碳钢、钨钢(最大磁能积约2. 7kj/rD3)、钴钢(最大磁能积约7.2kj/IIl3)等多种永磁材料。3特别是20世纪30年代出现的铝镍钴永磁（最大磁能积现可达85 kj/rT13）和50年代出现的铁氧体永磁（最大磁能积现可达40kj/rr13)，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，铝镍钻永磁的矫顽力偏低(36160kA/m)，铁氧体永磁的剩磁密度不高(o20. 44T)，限制了它们在电机中的应用范围。一直到本世纪60年代和80年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁（二者统称稀土永磁）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。 稀土永磁材料的发展大致分为三个阶段。1967年美国KJStrnat教授发现的钐钴永磁为第一代稀土永磁，其化学式可表示成RCos（其中R代表钐、镨等稀土元素），简称1:5型稀土永磁，产品的最大磁能积现已超过199kj/m3 (25MGOe)。1 973年又出现了磁性能更好的第二代稀土永磁，其化学式为RZC017，简称2；17型稀土永磁，产品的最大磁能积现已达258. 6kj/rr13(32. 5MGOe)。1983年日本住友特殊金属公司和美国通用汽车公司各自研制成功钕铁硼(NdFeB)永磁，在实验室中的最大磁能积现高达431. 3kj/m3 (54. 2MGOe)，商品生产现已达397. 9kj/rri3 (50MGOe)，称为第三代稀土永磁。4由于钕铁硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，价格又低于稀土钴永磁材料，在稀土矿中钕的含量是钐的十几倍，而且不含战略物资钴，因而引起了国内外磁学界和电机界的极大关注，纷纷投入大量人力物力进行研究开发。目前正在研究新的更高性能的永磁材料，如钐铁氮永磁、纳米复合稀土永磁等，希望能有新的更大的突破。 与此相对应，稀土永磁电机的研究和开发大致可以分成三个阶段【5】。 1) 60年代后期和70年代，由于稀土钻永磁价格昂贵，研究开发重点是航空、航天用电机和要求高性能而价格不是主要因素的高科技领域。 2) 80年代，特别是1983年出现价格相对较低的钕铁硼永磁后，国内外的研究开发重点转到工业和民用电机上。稀土永磁的优异磁性能，加上电力电子器件和微机控制技术的迅猛发展，不仅使许多传统的电励磁电机纷纷用稀土永磁电机来取代，而且可以实现传统的电励磁电机所难以达到的高性能。3)进入90年代以来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，除了大力推广和应用已有研究成果，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得越来越广泛的应用外，稀土永磁电机的研究开发进入一个新阶段。一方面，正向大功率化（高转速、高转矩）、高功能化和微型化方向发展。目前，稀土永磁电机的单台容量已超过1000kW，最高转速已超过300000r/min，最低转速低于0.01r/min，最小电机的外径只有0.8mm，长1. 2mm。另一方面，促使永磁电机的设计理论、计算方法、结构工艺和控制技术等方面的研究工作出现了崭新的局面，有关的学术论文和科砑成果大量涌现，形成了以电磁场数值计算和等效磁路解析求解相结合的一整套分析研究方法和计算机辅助设计软件。稀土永磁电机正向大功率化（高转速、高转矩）、高功能化和微型化方向发展，不断扩展新的电机品种和应用领域，应用前景非常乐观。为了满足需要，稀土永磁电机的设计和制造工艺尚需不断地进行创新，电磁结构将更为复杂，计算结构将更为精确，制造工艺更为先进适用。这些复杂问题需要应用多学科理论和系统工程进行优化设计，提高性价比，促进电机等学科和行业进一步发展。 我国的稀土资源丰富，稀土不稀，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左右，号称“稀土王国”。稀土矿石和稀土永磁的产量都居世界前列。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因此，充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对实现我国社会主义现代化具有重要的理论意义和实用价值。1.1.2 永磁直线发电机的主要特点【6】与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有运行可靠，结构简单，体积小，质量轻；损耗少，效率高等特点。（1）效率高永磁电机采用永磁材料励磁，相比于以前的电励磁电机，省略了维持产生气隙磁场的电励磁绕组，避免了励磁绕组所消耗的电能。同时也免去了电励磁换相所需的碳刷环节，避免了机械损耗，大大提高了发电机的发电效率。据资料统计，当电机在1500rpm至6000rpm之间的转速范围内运行时，普通电励磁电机平均效率只有45至55，而永磁电机则可高达75至80，而专用永磁电机的效率则更高。（2） 体积小，重量轻 由于采用永磁材料进行励磁，与传统电机相比，使电机的机械结构更加简单，排列更加有规律。可以有效的减小电动机体积和重量。 （3）结构简单，运行可靠 由于用永磁材料代替了传统电机的电励磁绕组，所以省去了碳刷.滑环结构.简化了电动机结构，避免了电励磁绕组容易断线烧毁和碳刷.滑环容易磨损的缺点。使电动机运行更加安全可靠。12 永磁直线发电机面临的主要问题1.2.1 磁路结构和设计问题【7】为了充分发挥各种永磁材料的磁性能，特别是稀土永磁的优异磁性能，制造出性价比高的永磁电机，就不能简单套用传统的永磁电机或电励磁电机的结构和设计计算方法，必须建立新的设计概念，重新分析和改进磁路结构。随着计算机硬件和软件技术的迅猛发展，以及电磁场数值计算、优化设计和仿真技术等现代化设计方法的不断完善，经过电机学术界和工程界的共同努力，现已在永磁电机的设计理论、计算方法、结构工艺和控制技术等方面取得了突破性进展，形成了以电磁场数值计算和等效磁路解析求解相结合的一整套分析研究方法和计算机辅助分析、设计软件，并正在不断完善中【6】。1.2.2 控制问题永磁电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。永磁发电机难以从外部调节其输出电压和功率因数，永磁直流电动机不能再用改变励磁的办法来调节其转速。这些使永磁电机的应用范围受到了限制。但是，随着MOSFET、IGBT等电力电子器件和控制技术的迅猛发展，大多数永磁电机在应用中，可以不必进行磁场控制而只进行电枢控制。设计时需要把稀土永磁材料、电力电子器件和微机控制三项新技术结合起来，使永磁电机在崭新的工况下运行【2】。1.2.3 不可逆退磁问题 如果设计或使用不当，永磁电机在过高（钕铁硼永磁）或过低（铁氧体永磁）温度时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械震动时有可能产生不可逆退磁，或叫失磁，使电机性能降低，甚至无法使用。因而，既要研究开发适于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳定性的方法和装置，又要分析各种不同结构形式的抗去磁能力，以便在设计和制时，采用相应措施保证永磁电机不失磁21.2.4 成本问题铁氧体永磁电机，特别是微型永磁直流电动机，由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机低，因而得到了极为广泛的应用。由于稀土永磁目前价格还比较贵，稀土永磁电机的成本一般比电励磁电机高，这需要用它的高性能和运行费用的节省来补偿。在某些场合，例如计算机磁盘驱动器的音圈电动机，采用钕铁硼永磁后性能提高，体积质量显著减小，总成本反而降低。在设计时既需根据具体使用场合和要求，进行性能、价格的比较后决定取舍，又要进行结构工艺的创新和设计优化以降低成本2。1.3 横向磁场电机工作原理及特点电机的运行依赖于电磁力，根据安培定理，电磁力元dF由电流元Idl和磁通密度B的叉乘给定，其表达式为8：式中：dF 磁场中某点电流元所受到的电磁力元/N；Idl 位于磁场中某点的电流元/Am； B 磁通密度矢量/T。电磁力元dF的方向垂直电流元Idl和磁感应强度B所在的平面，即由右手螺旋法则确定，电机的发明正是基于这一重要的理论。在电机设计中，为了获得最大的电磁力，导线一般都设计成与磁通密度B垂直的方向。那么假设电机中气隙处的磁场是均匀的，对长度为L的导线进行矢量积分，并且考虑到导线与磁通密度B是垂直的，由式就可获得下式： 式中：F 长度为Lw的导线，其上流过电流I时，其在磁通密度B的磁场中所获得的电磁力/N。由式可以看出，电磁力的大小由电机中的电负荷和磁负荷的乘积决定，电负荷主要是由导线中电流的大小决定，而磁负荷由气隙中的磁通密度决定。在电机中，电负荷受电枢线圈所在齿槽截面积的大小限制，而磁负荷受磁路即主要是定子齿部宽度的大小限制。径向磁场电机的齿槽截面积和齿部宽度在竞争同一平面的空间尺寸资源。【9】在电枢直径一定的情况下，要想提高电负荷，即增加电流量，那么在电流密度一定的情况下，只能通过增加齿槽截面积来实现，这样就会导致齿部宽度的减小，从而造成磁路磁阻的增加，磁通密度B就会减小，即造成磁负荷减小，这样的结果未达能到增加电磁力的目的；同理，增加磁负荷也会因为导致齿槽截面积的减少而减小电负荷，这时电磁力提高的目的也不能达到。所以传统的径向磁通电机很难做成高力矩电机。H. Weh教授发明的TFM，克服了上述传统径向磁通电机中齿槽截面积和齿部宽度竞争同一平面的矛盾，实现了电负荷和磁负荷的解耦，可以在一定范围内，分别增大电负荷和磁负荷，这样就易于获得高力矩图 11 (b)是H. Weh.教授提出的TFM结构示意图4。此电机为双定子结构，由均匀分布的U形内外定子铁心和内外电枢线圈组成构成，内外定子铁心沿电机转子运动方向错开一个极距，电枢线圈是两个沿转子运动方向的环形线圈，分别镶嵌在内外定子铁心的U形槽内。转子采用聚磁式结构，沿运动方向永磁体和转子铁心均匀分布，相邻永磁体极性相反，分别在转子铁心上聚磁成N、S极；沿运动垂直方向并排的永磁体也极性相反，它们之间用隔磁材料将磁路隔开，在隔磁材料两边的铁心中形成相反极性，和内外定子铁心的极性配合。在这种结构中，图 11 (b)中所示位置的磁路方向如图中箭头所示：磁场从转子前端的永磁体N极开始，到相邻转子铁心聚磁，经外侧的气隙到外定子U形铁心前端齿部，经其轭部到定子铁心后端齿部，再经气隙到后端转子铁心，到后端永磁体S极，经过永磁体内部到N极及相邻内转子铁心，然后以同样的方式经过内定子U形铁心返回到前端，穿过内侧的气隙，通过前端的转子部分回到始发点，形成闭合回路。可以看出其磁路是一个三维空间结构，形成典型的三维磁场。磁通在U形内外定子铁心内流动，那么磁力线所在平面就垂直于电机的转子运动方向，所以称其为“横向”磁场电机。图中内外电枢线圈分别穿过内外U形定子铁心，定子齿部分平行于转子运动方向的横截面和电枢线圈的横截面在空间上相互垂直，使得电负荷和磁负荷在空间上解耦，这样电机齿部运动方向的尺寸和通电线圈横截面的大小就相互独立，这两个参数在一定范围内就可以任意选取，这是传统径向磁场电机无法做到的，这也正是TFM最大的优势所在。这一电机概念的提出是该领域电机设计思想和方法的一次重大突破。（a）传统径向磁场电机结构示意图（b）TFM结构示意图【10】图 11 传统径向磁场电机与TFM比较如图 11 (b)所示，当内外定子电枢线圈中通入某个方向的电流时，就会在定子的内外U形铁心中产生磁场，铁心两端齿部相当于两个磁极，根据同性相斥、异性相吸的原理，内外定子铁心齿部的磁场和转子永磁体所产生的磁场之间相互作用产生转矩，使得转子沿某个方向运动。每当转子转过一个极距（180电角度）时，相应的改变内外定子电枢线圈中电流的方向，就会产生连续的同一运动方向的转矩使电机连续运转。1.4本文研究的主要内容考虑到波浪能具有直线往复运动的特点，为了省略中间的能量转换环节，提高能量的利用效率，所以我们的发电机的动子设计为直线运动方式，故而大大提高了发电效率和简化了电机的结构降低了电机的成本。另外由于永磁材料的发展，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，为了提高效率，降低成本，所以我们发电机的励磁方式采用永磁材料进行励磁。但由于海浪运动的不规律性，导致发电不稳定，故而我们在随后用电力电子器件对发电机发出来的电进行整流处理以提高电能的质量。同时由于永磁体较为昂贵，所以我们对永磁体的尺寸进行优化设计，来提高单位体积永磁体的功率。由于永磁电机的磁路较为复杂，计算分析难度大，但随着计算机硬件和软件技术的迅猛发展，以及电磁场数值计算、优化设计和仿真技术等现代化设计方法的不断完善，经过电机学术界和工程界的共同努力，现已在永磁电机的设计理论、计算方法、结构工艺和控制技术等方面取得了突破性进展，形成了以电磁场数值计算和等效磁路解析求解相结合的一整套分析研究方法和计算机辅助分析、设计软件。Ansoft软件作为其中的佼佼者，我们将运用它来对发电机进行建模和优化仿真设计。第二章 横向磁场永磁直线发电机的结构设计2.1 海浪能工作特性波浪能发电是继潮汐发电之后发展最快的一种海洋能源利用措施。波浪能是由大气层和海洋在相互影响的过程中，由于在风和海水重力作用下形成永不停息、周期性上下波动的波浪，这种波浪具有一定的动能和势能。波浪能的大小与波高的平方和波动水域面积成正比。我国波浪能资源丰富，估计约有5亿kW以上。但我国波浪能发电的研究起步较晚，1990年才在大万山岛建成第一座20kW级的试验性波浪发电站。【11】 所以海浪能具有周期性类似直线往复运动的特点，但受季节单天不同时间其运动的幅度频率都称不规律性。2.2 发电机模块化结构设计2.2.1动子模块化结构结构由于本发电机做直线运用，且直线运动速度较低，故而不存在旋转电机防止永磁材料在高速运动的情况下被抛出的问题。矩形永磁体结构简单加工方便，而且充磁易磁化均匀，磁化性能较好，综合以上两点，为了使永磁材料便于制造同时获得最大的气隙磁场强度提高发电机的输出功率，故而永磁体采用矩形块结构镶在定子内。发电机做直线运动速度一般为1m/s，我们一个动子厚度为18mm，为了提高发电效率，充分利用波浪能，故而我们设计4个动子，4个动子沿一根中轴线（z轴）相隔18mm排布，为了使线圈输出电压尽可能的成正弦波，相邻动子之间相对的永磁材料之间的N.S级相反。同样为了提高气隙磁场强度，使磁路主要从线圈中通过而不是从动子之间的气隙通过，故而两个动子之间以alumina-96pct这中绝磁材料填充，从而强迫磁路从线圈中通过。径向式动子磁路结构中永磁体离气隙较近，且永磁体的的磁化方向与气隙磁通轴线重合，漏磁系数较小。由于以上的优点所以我们把的动子采用径向结构。下边是本文中的动子图：图2-1 动子图上图中的绿色的永磁体充磁方向沿圆环切向方向向右，棕色的沿圆环切向方向向左。2.2.2定子模块化结构结构定子由定子铁芯和定子绕组组成，定子铁芯由硅钢片叠压而成，厚度为18MM，为了便于下线 ，且能卡住定子绕组，定子槽型采用矩形开口，槽口共有18个，定子槽与线圈铁芯之间留有 1MM的气隙，在这个气隙中，线圈围着铁芯环绕，由于本发电机发出的是单项交流电，为了简化结构，同时提高输出电压和功率，故而把所有的线圈串联起来，仅在线圈外引出两根导线。一根出一根进，方便进行控制和模拟分析，铜导线较为便宜而且导电性能较好，所以线圈的材料采用铜导线。下边是定子冲片图：图2-2定子冲片图图2-3线圈2.3发电机工作过程动子上安放着永磁体，当动子向定子做直线位移时，随着动子和定子之间的距离越来越近，定子的磁场强度也越来越强，当动子和定子在Z轴的投影重合时磁场强度达到最大，然后两者之间又慢慢分离，当完全分离时磁场强度变为0，此时下一个动子的在Z轴的投影开始和定子在Z轴的投影开始重合，又重复上边的情形，但由于相邻两个动子永磁材料的相对的磁化方向正好相反，所以磁场强度的方向也正好相反，假如上个动子运动是定子线圈所感应出来的电压为正电压，下一个正好相反为负，两者共同构成了一个正弦波。感应电动势设为E，磁链为，则它们之间的关系如下【12】： E=ddt=ddsdsdt=ddsV (2-1)其中V为动子移动的速度2.4 发电机所采用的铷铁硼永磁材料的工作特性【13】钕铁硼永磁材料是1983年问世的高性能永磁材料。它的磁性能高于稀土钴永磁。室温下剩余磁感应强度Br，现可高达1. 47T，磁感应矫顽力Hc。可达992kA/m (12. 4kOe)，最大磁能积高达397. 9kj/m3(50MGOe)，是目前磁性能最高的永磁材料。由于钕在稀土中的含量是钐的十几倍，资源丰富，铁、硼的价格便宜，又不含战略物资钴，因此钕铁硼永磁的价格比稀土钴永磁便宜得多，问世以来，在工业和民用的永磁电机中迅速得到推广应用。 钕铁硼永磁材料的不足之处是居里温度较低，一般为310410左右；温度系数较高，Br的温度系数可达-0. 13%K-1，Hcj的温度系数达- (0. 60.7)%K-1。因而在高温下使用时磁损失较大。由于其中含有大量的铁和钕，容易锈蚀也是它的一大弱点。所以要对其表面进行涂层处理，目前常用的涂层有环氧树脂喷涂、电泳和电镀等，一般涂层厚度为1040m。不同涂层的抗腐蚀能力不一样，环氧树脂涂层抗溶剂、抗冲击能力、抗盐雾腐蚀能力良好；电泳涂层抗溶剂、抗冲击能力艮好，抗盐雾能力极好；电镀有极好的抗溶剂、抗冲击能力，但抗盐雾能力较差。因此需根据磁体的使用环境来选择合适的保护涂层。 另外，由于钕铁硼永磁材料的温度系数较高，造成其磁性能热稳定性较差。一般的钕铁硼永磁材料在高温下使用时，其退磁曲线的下半部分要产生弯曲，为此使用普通钕铁硼永磁材料时，一定要校核永磁体的最大去磁工作点，以增强其可靠性。对于超高矫顽力钕铁硼永磁材料，内禀矫顽力已可大2000kA/m，国内有的厂家已有试制产品，其退磁曲线在150时仍为直线。图2-4不同温度下的不同型号的铷铁硼的內禀退磁曲线和退磁曲线图2-5不同温度下铷铁硼的內禀退磁曲线和退磁曲线（NTP-208UH）第三章 横向磁场永磁直线发电机有限元模型建立和优化设计3.1发电机电磁场分析原理和电磁场的计算方法【14】电磁场的经典描述是麦克斯韦方程组，电机电磁场分析般采用位函数表示，位函数比场量本身更容易建立边界条件。位函数包括磁矢位A 和磁标位 ，由于使用磁矢位可以很方便地给出磁力线分布并求出磁通。 在三维瞬态场中采用的是T 算法，但是可以采用局部剖分法来计算三维瞬态运动所带来的效应。对于低频瞬态磁场，麦克斯韦方程组可以写为式(3-1)形式。 H=E2H=BTB=0 (3-1)在（3-1)式的基础上，可以构造出两个恒等式，如式(3-2)所示。 H+BTB=0 =0 (3-2)在求解三维瞬态磁场时，其棱边上的矢量位自由度采用了一阶元计算，而节点上的标量位自由度采用二阶元计算。 有限元法是将整个求解区域离散化，分割成许多小的区域，称之为“单元”或“有限元”，传统的有限元法以变分原理为基础，把所要求解的微分方程型数学模型边值问题，首先转化为相可以应的变分问题，及泛函求极值问题；然后利用剖分插值，离散化变分问题为普通多元函数的极值问题，及最终归结为一组多元的代数方程组，解之即得待求边值问题的数值解电磁场的分析和计算通常归结为求微分方程的解。对于常微分方程，只要由辅助条件决定任意常数之后，其解就成为唯一的。对于偏微分方程，使其能成为唯一的辅助条件可以分为两种，一种是表达场的边界所处的物理情况，称为边界条件；一种种是确定场的初始状态，称为初始条件。边界条件和创始条件合称为定解条。未附加定解条件的描写普遍规律的微分方程称为泛定方程。泛定方程是解决问题的依据，但不能确定具体的物理过程，它的解的个数是无限多的。泛定方程和定解条件作为一个整体，称为定解问题。电磁场求解过程中有各种各样的边界条件，Ansoft 求解过程中，具体包括以下几类：1 狄利克莱边界条件 |=g() (3-3)其中，为狄利克莱边界，g()是位置函数，可以为常数和零。当为零时称此狄利克莱边界齐次边界条件。一般电磁场问题中将狄利克莱边界条件称为第一类边界条件，在有限元计算中，称其为约束边界条件或本质边界条件，它规定了边界处势的分布。2 诺依曼边界条件 n|+f|=h() (3-4)其中，为诺依曼边界，n 为边界的外法线矢量。f ()和h()为一般函数，可以为常数和零，当为零时称齐次诺依曼边界条件。一般电磁场问题中将诺依曼边界条件称为第二类边界条件，它规定了边界处势的法向导数分布，在Ansoft 计算中提到的齐次诺依曼边界条件，即法向导数为零，为默认边界条件，不需要用户指定。3 自然边界条件媒质分解面上的边界条件，即不同媒质交界面场量的切向和发向边界条件属于自然边界条件，在Ansoft 计算中是系统的默认边界条件，不需要用户指定。4 对称边界条件对称边解条件施加与求解场在物理或几何上严格对称，包括奇对称和偶对称两大类。奇对称指在对称面两侧的电流、电荷、电位、磁位等物理量满足大小相等，符号相反。偶对称指在对称面两侧的电流、电荷、电位、磁位等物理量满足大小相等，符号相同。使用对称边界条件时可以减小模型的尺寸，节省计算资源与时间，但在进行实际操作中要保证对称面处剖分节点的严格一一对应。5 周期边界条件周期边界条件在 Ansoft 中亦称之为匹配边界条件，是计算周期性重对称结构时采用的边界条件，使主边界和从边界场量具有相同的幅度、相位，和相同或相反的方向。6 气球边界条件气球边界是 Ansoft 中常用的一种边界条件，指定求解区域外边界处，一般用于绝缘系统，亦可用于模拟无限元边界。7 阻抗边界条件阻抗边界是用来模拟薄介质层的边界条件，主要应用于交变电场中的电阻边界和涡流场中的阻抗边界。3.2 ANSOFT三维电磁场有限元分析软件Ansoft Maxwell作为世界著名的商用低频电磁场有限元软件之一，在各个工程电磁领域都得到了广泛的应用H91。它基于麦克斯韦微分方程，采用有限元离散形式，将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解。Ansoft软件的界面友好，操作容易，计算准确，为工程师们进行工程设计和科学研究中提供了有力的支持。Ansoft不仅可以对单个电磁机构进行数值计算，还可以对整个系统进行联合仿真。作为我国引入较早的一款电磁场有限元分析软件，其使用领域包括电器、机械、石油化工、汽车、冶金、水利水电、航空航天、船舶、电子、核工业、兵器等众多行业，为各领域的科学研究和工程应用做出了巨大的贡献。随着Ansoft公司多年的发展，公司在总结前期版本的经验和教训基础上，不断更新和改进，软件的功能模块的集成度，界面的友好性，可操作性和软件的扩展性都得到了较好的发展。 Ansoft maxwell分为2D和3D两个模块，2D是3D的一个特例，由于这个软件定位于有限元计算分析软件，所以绘图功能不是很强大，在这里我们可以自己绘制一些简单的模型，同时它自己也有一些模型库，我们只需设定其中的参数即可，这个软件能够很好的与如等专业绘图软件兼容，我们可以在这些专业绘图软件内绘制一些复杂模型，然后将它导入进ansoft内进行分析。它目前可以求解下列场：1 静磁场求解器静磁场求解器可用于分析由恒定电流源、电压源永磁体及外部激励引起的磁场，适用于分析激励器、传感器、电机、永磁体等。它可以分析包括非线性和各向异性材料，可直接计算磁场强度和电流分布，自动计算磁场力、转矩、电感和储能。2 静电场求解器静电场求解器用于分析由直流电压源、永久极化材料、高电压绝缘体中的电荷/电荷密度、套管、断路器及其它静态装置所引起的静电场，可分析材料类型包括绝缘体及理想导体，可自动计算力、转矩、电容及储能等参数。3 涡流场求解器涡流场求解器用于分析受涡流、集肤效应、邻近效应所影响的系统。它求解场频率范围可由0 赫兹到数百兆赫兹，可应用于对母线、电机、变压器、绕组及无损系统的评价。可自动计算损耗、铁损、不同频率下所对应的阻抗、力、转矩、电感与储能。在三维涡流场中可采用吸收边界条件来仿真装置的辐射磁场，全波特性使其亦可分析探测天线类低频系统。在涡流场求解中，可以云图和矢量图的形式给出整个相位的磁力线、磁通密度和磁场强度的分布、电流分布、能量密度分布等结果。4 瞬态场求解器瞬态场求解器可方便的求解任意波形电压、电流及包括直线和旋转运动问题，例如电动机、断路器、轴承等，瞬态求解器可同时求解磁场、电路及运动等强耦合的方程，因为可以分析各装置的性能，其优点可以利用线路图绘制器和嵌入式仿真器与外部电路协同仿真，从而支持包括电力电子开关电路和绕组连接方式在内的任意拓扑结构的仿真。5 交直流传导求解器主要用来求解由恒定电压或时变电场在导体中产生的传导电流及介电损耗问题。 本文所设计的发电机由于它的动子运动方向和它本身不再一个平面上，所以只能采用三维瞬态磁场进行分析。3.3发电机有限元分析模型建立3.3.1发电机整体模型由于ansoft模型库中并没有我们所设计电机的模型，所以我是运用ansoft的绘图功能在其中绘制，绘制的电机主要参数如下表：10 表3-1发电机主要参数表 极数18每槽线圈匝数167定子内径20mm相数1定子外径50mm常规气隙厚度1mm定子槽数18动子之间绝磁材料外径62MM定子轴向厚度18mm动子之间绝磁材料内径51mm动子内径51mm动子之间绝磁材料轴向厚度18mm动子外径63mm永磁体长12动子轴向厚度18mm永磁体宽3其中的定子槽如下图：11图3-1定子槽图线圈轴与线圈槽各部分之间距离为1MM本文中的电机是直线永磁无刷发电机，动子永磁体材料选用铷铁硼，定子铁心选用硅钢片叠压而成。动子厚度18MM，共4个动子，4个动子沿一根中轴线（z轴）相隔18MM排布，两个动子之间以alumina-96pct这中绝磁材料填充。本电机的主视图如下图3-2发电机主视图图3-3发电机俯视图然后设置各部分的材料,其中定子和动子框架材料都指定为steel-1010，该材料的B-H曲线如下： 图3-4 定子动子材料的B-H 曲线图线圈材料定义为copper，永磁体的材料为铷铁硼，在材料库中定义为NDFE35zuo和NDFEyou 这主要是它们之间磁化方向的不同。即相邻的永磁材料的NS极相反。他们的矫顽力H890KA，剩磁1.09977T。两个动子之间的绝磁材料定义为alumina_96pct ，理想化的把它的导磁率定义为0综上所述就生成了发电机的几何模型。 为了分析，软件上还要求对动子的运动域进行定义即band 这个band 我们定义为真空。它紧紧包裹这动子，在这里我们定义动子的运动方向和速度，在这里我们设为1m/s ，方向为Z轴，设定图如下： 图3-3运动速度设定画面图3-4运动方式和方向设定图3.3.2发电机局部模型 由于这个模型只能采用三维瞬态磁场分析，模型较为复杂，限于条件所限，现在一般主流电脑达不到整体分析模型的配置，故而没有条件进行整体分析。又因为设计的这个电机，模型围绕中心轴即Z轴对称，每40度为一个周期，9个周期（400*9=3600）合成这个模型，故而到时只需分析这一个周期中其中中间的那截线圈上电压随时间变化的波形乘以18即可得到整个模型线圈电压随时间变化的规律，裁剪得到的六分之一模型如下。图3-5电机的六分之一模型由于边界的影响只有中间的那根线上的电压是正确的，旁边的都不真实。3.3.3发电机有限元分析模型网络划分在有限元中网络划分是其计算离散化的关键一步，理论上划分的越细越密，则计算结果越精确，同时计算量越越大，计算时间也越长，限于条件，故而我们只能在有限的条件下对关键部位划分的网络单元多一点，不关键部位则少一点，来尽可能的使计算结果更加精确可靠。3.4永磁体尺寸的优化设计3.4.1 永磁体优化理论由于稀土永磁体的价格很贵，单位输出功率所需要永磁体体积通常是衡量电机设计优劣的重要指标之一。 为了简明起见，假定永磁体的退磁曲线为直线，设永磁体的所提供的磁通为d,磁动势为Fd，则磁能（J）为 12DFD=12BAmHhMp10-6=12(BH)Vm10-6 (3-5)由此得永磁体的体积（cm3） Vm=DFD(BH)106 (3-6)E图36最大磁能时的永磁体INXSUNIN 图3-7发电机向量图图3-73-73-7 发电机的向量图从3-6中可看出，在DFD不变的情况下，永磁体的 体积与其工作点的磁能积（BH）成反比，因此应该使永磁体工作点位于回复线上有最大磁能积的点，从图5的永磁体工作图可以看出，永磁体的磁能DFD/2正比于四边形ADOFD的面积，若想获得最大的磁能必须使四边形的面积最大。由所数学知识可知，当工作点A 在回复线的中点有最大磁能的永磁体最佳工作点的标么值bD=0.永磁发电机的额定容量（KVA）： PN=mUNIN10-3 (3-7) 式中 M相数； UN发电机的额定相电压（V）； IN发电机的额定相电流（A）；为了便于求的空载感应电压E和Un之间的关系可利用右边的向量图，并假设绕组电阻为0得： E2=(UNcos)2+(INXs+UNsin)2 （3-8） IN=E2-(UNcos)2-UNsinXs (3-9)式中Xs同步电抗将（3-8）（3-9）代入到3-7中可得PN=mEUNEEXs1-(UNE)2(cos)2-UNEsin10-3=mEKuIk10-3 （3-10）式中 Ku电压系数，Ku=UNE1-(UNE)2(cos)2-UNEsin,它由相对电压Un/E和功率因数(cos)的大小决定，即取决于发电机外特性的硬度； Ik三项稳定短路电流（A），Ik=E/Xs。又 E=4.44FNKdp0K=4.44FNKdpm0K0 (3-11)式中 K气隙磁通的波形系数； Kdp绕组因数； N每项串联匝数；三项稳态短路时，折算到动子的直轴电枢磁动势（A） Fadk=2mNKdppIkKad=Fmk2Ffd (3-12)式中 Kad将直轴电枢磁动势折算到动子磁动势的折算系数； KFd电机短路时每对极的永磁体磁动势Fmk（A）为直轴电枢磁动势2Fadk 的倍数，KFd=Fmk2Fadk故 Ik=mpmkdpadd （3-13）从前面的分析得 m0=bm0BrAm10-4 (3-14) Fmk=hmkHchMp10-2 (3-15)式中 Hmk电机短路时永磁体工作点退磁磁场强度标么值。永磁体体积（cm3） Vm=phMpAm (3-16)将（3-11）到（3-15）代入3-10并加整理后得 Vm=51PN0KadKFdfKuKC(BH)max106 (3-17)式中 C永磁体磁能利用系数， C=bm0hmk (3-18)从式(3-17)可以看出： 1)永磁体体积与永磁材料的最大磁能积和磁能利用系数有关，最大磁能积越大，体积越小；磁能利用系数越大，体积越小，利用情况最好。必须指出的是，磁能利用系数C是电机空载时磁感应强度标么值Bm0与电机短路时退磁磁场强度标么值hmk。量的乘积，并不是同一工作点的二者乘积。设计时需要根据电机性能的要求，从电机最佳设计出发选择合适的C值。一般Bm00. 600. 85,Hmk=O. 60.7。 2)永磁体体积与漏磁系数成正比，为了减少永磁体用量，应尽可能减步漏磁系数。漏磁系数0.KadKFd，变化不大。设计时可根据给定的额定容量PN和频率，根据选用永磁材料的最大磁能积(BH)m和预计磁能利用系数C，就可以估算出所需永磁体的体积。在实际选用时，尚需留出适当的余量，一般可加大20%左右。综上所述，我们预估的0*K*=182 (3-19)而我们所设的永磁材料的 (BH)m=890KA/m*1.0997T=978KAT/mPN=360VAf=16Hz (3-20)把3-18到3-20代入到3-17中得到的Vm=47880mm3 （3-21）我们发电机的永磁体块数为18*4=72 （3-22）则其中每块的永磁体体积为V/72=665mm3 （3-23）厚度为18MM， 则面积为S/18=36.94mm2 (3-24)下边我们取3个样本，来验证理论分别是S=30mm2;S =36mm2;S=42mm2 3.4.2 永磁体优化静磁场模拟和分析其中面积为36mm2 就是本电机刚刚的模型。它的静态磁场分布图如下 : 图3-8 S=36mm2时的磁场分布图这里的气隙磁通B1.0879T 由于电压E=ddt=ddsdsdt=ddsV=KNBVsin(16t+)式中 感应电动势设为E，磁链为，N为线圈绕组匝数，V为动子移动速度,K为系数所以可以简单的让单位体积功率F=B/s=30.219*10-2当面积Smm时它的磁场分布图如下图3-9 S=30mm时的磁场分布图从图中可以近似得出B2=0.5T,简单的得出单位体积功率F2=B2/S=16.6*10-2当面积S=42mm2时它的磁场分布图如下图3-10 S=42mm2时的磁场分布图从图中可以看出气隙磁场强度B3.0075,故而单位体积功率F3=23.9*10-2有上边分析得出FF3F2. 故而理论上的永磁体体积大概就在最佳永磁体体积附近。第四章 横向磁场永磁直线发电机动态仿真分析及结果4.1发电机动态仿真分析方法在setup中设置分析的总时间，分布时间如下图：图4-1瞬态分析总时间和分步时间设置图在这里每步相隔0.002s，总时间为0.15s。这样在整个分析时间内动子将走0.15*1m=0.15m=150MM。而每个动子轴向长度为18MM，相邻的两个动子相对的永磁体极性相反，假如第一个动子在Z轴的投影与定子在Z轴的投影慢慢接近时，线圈输出的为正弦波的正的部分，当它们的投影完全重合时，线圈输出电压达到正的最大值，然后两者之间相互分离，输出电压开始按正弦规律减小直至两者完全分离，电压输出为0，此时第