毕业设计60基于ANSYS8.0的永磁直线电动机的有限元分析

基于 ANSYS8.0 的永磁直线电动机的有限元分析 沈沉 （浙江工业大学 信息工程学院 电气 011） 1 引言 随着 直线电 动 机 近年来 的迅速 发展和广泛 应用以及永磁材料性能的不断提高和完善， 永磁直线电 动 机的发展也得到了更多的关注。与传统的旋转电机相比，直线电 动 机最主要的特点和优势在于它可以把电磁能直接转换成直线运动 的机械能 ，而无需使用旋转到直线运动的中间 转换装置。 永磁 电 动 机采用永磁励磁，省去了励磁绕组和励磁损耗 因而具有工艺简单，体积小， 轻型化 ， 效率高等特点 。永磁直线 电动机兼具以上的两种电动机的特点，因而 广泛应用于数控机床，机器人技术等许多领域 。 为了满足工程领域对新型 高性能 直线电 动 机 不断增加 的需求 ， 许多新的技术和设计方法开始在直线电动机中得到应用。 其中 有限元分析方法作为一种可靠的工具在直线电 动 机 设计中的应用，使得工程人员 能够 更深入的了解 设计对象 的运行情况 。 并且 和计算机辅助 设计 相结合，利用 通用有限元分析软件 ANSYS 对电动机进行有限元仿真建模，让设计变的更加直观和简便 。 2 目前 永磁 直线电动机 发展及 有待解决的 问题 永磁 直线电动机 概念 直线电动机 的工作原理和旋转电动机没有太大的区别， 我们可以把它看 做 是 旋转电动机从 表 面切至 轴中心 然 后 摊平 。 图 2.1 中显示了这一 过程。 图 2.1 旋转电机展开得到直线电动机的过程 简单的说 ， 永磁 直线电动机就是永磁激励的直线电动机，它与其他直线电动机的区别在于励磁部分采用永磁材料。 这种电动机的优势是在于结合了直线电动机和永磁电动机两者的特点。 它除了具有一般直线电动机直接驱动，制动性好等特点外，还具有永磁电机结构紧凑简单 ，重量轻，转矩和功率密度高等特点。 永磁 直线电动机 的最新应用举例 目前 永磁 直线电动机的最新发展 之一 是 隧道致动器 .日立制作所下属的日立研究所日前利用定位精度 非常高的直线驱动装置（隧道致动器， Tunnel Actuator） ,在同类设备中实现了全球最高的 40G 加速度（重力加速度的 40 倍）。隧道致动器比原来的线性马达（ Linear motor）更小，成本更低。今后将会有助于提高半导体制造设备及小型精密机床等设备的生产效率。该装置力争 1 2 年后达到实用水平。 过去，做为高速直线驱动装置使用的线性马达，从原理上讲装置体积庞大，而且必须要有很高的制作精度，因此存在生产成本高的问题。在这种情况下，人们一直希望能够开发出一种体积小且成本低、能够取代线性马达的直线驱动 装置。 日立设计的隧道致动器结构简单，组装方便。可减轻由永久磁铁制成的原动机重量。此次通过减轻原动机重量，以及开发可承受加减速剧变的高速高精度控制系统，实现了世界上最高的加速度（ 40G），相当于线性马达的 2 4 倍。 通过将原动机配置于上部磁极冲片和下部磁极冲片之间，抵消了磁极引力。由此便简化了磁极缝隙的支撑结构，从而实现了小型化设计。由于是磁通量在上下磁极冲片之间进行传导的结构，因此即使采用多极结构，也不会泄漏磁通量，从而就可确保巨大的推动力。作为原动机上的永久磁铁，只需交替使用 N 极和 S 极即可轻 松形成。与原来的线性马达不同，由于不需粘在铁板上，因此重量不到原来的 1/5。即使采用多极结构，每极也只需要一个电枢绕组即可，因此就使得占生产成本一多半的绕线作业与导线处理更得非常简单，从而就能降低成本 最近，德国的 Brckl S.等人开展了将直线电机用于超精加工机床进给驱动系统的研究工作，他们在同一台亚微米车床上分别装上永磁直线同步电机（ PMLSM： Permanent Magnet Linear Synchronous Motors）和带精密滚珠丝杠的永磁同步旋转 伺服电机 进行了对比实验研究。 他们的研究结果 表明直线电机非常适合超精密加工机床。 最近，浙江大学研制了一种由直线电机驱动的冲压机。日本 AIDA 公司开发了采用直线电机直接驱动的小型精密零件加工用 L-SF型新型成形压力机。日本山田 DOBBY公司与 FANUC公司协作共同实施智能型高精度直线电机驱动压力机实用化研究。该压力机使用了示教式数控自动补偿技术，在实际加工时，下死点精度可控制在 5 m 之内。 永磁 直线电动机 永磁材料举例 稀土永磁材料是一种高性能功能材料，这种材料是许多高新技术产业的基础。在电机中用永磁体可使电机产品轻型化、高性能化，与电力电子技术结合， 制成速度、转矩可调的机一体化产品。 采用稀土永磁电机可以明显减轻电机的重量，如 10kW 普通发电机，重量为 220kg，而稀永磁发电机为 92k8。德国西门子研制的 1095kW、 230rpm 六级永磁同步电动机，用于舰船的进，与过去使用的直流电动机相比，体积减少 60左右，总损耗降低 20。 稀土永磁电机高效节能，平均节电率高达 10，某些专用电机节电率高达 15 20，且价格合理。我国开发的高效节能稀土永磁电动机，在力能指标及价格方面，国外高效电机不能与之相比，在国际市场有极强的竞争力。世界 各国都把提高电动机的效率、节约电能作一件大事来抓，特别是美国， 1992 年美国前总统布什签署批准了能源政策法，按该法令自199710 月 24 日之后，美国大部分一般效率电动机将不再生产，只允许生产高效率电动机，2002 年 10 月后将生产更高效率电动机， 2007 年 10 月后将生产技术上达到极限、经济上可行最高效率电动机。 近年来，随着稀土永磁材料性能的不断提高，特别是钕铁硼永磁材料的热稳定性、耐腐性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件技术的进一步发展，稀土永磁电机的开发和应进入了一个新阶段，一方面，原有开 发的成果在国防、工农业和日常生活等方面得到广泛的用；另一方面，正向大功率化 (高转速、高转矩 )、高功能化和微型化方向发展，扩展新的电品种和应用领域。目前，稀土永磁电机的单台容量已超过 1000kW，最高转速已超过300000rpm，低转速低于 0.01rplh，最小电机外径只有 0.8mm，长 1.2mm。在步进电动机、开关磁阻电动、速同步电动机等特种电机中增加钕铁硼永磁励磁后，其技术经济性能、动态响应特性都有明显改进与提高。 永磁 直线电动机 有待解决的问题 永磁直线 电动机也存在一些问题：首先作为一种直线电动机，就要要 考虑它的端部效应的影响。其次它采用了永磁材料作为励磁， 目前还有一些技术问题没 有完全 解决，最大的一个是 AIFeB；第二永磁电机还有非常强的涡流 ,当温度达 150 以上时 , 永磁电机的永久性去磁将导致整个电机完全报废。 这些是永磁直线电动机设计中需要重点解决的因素 直线电机直接驱动单元的研究开发目标是提高电机性能，满足应用要求。直线电机直接驱动单元的主要性能指标主要包括速度、加速度、推力及其波动、定位精度、重复定位精度、机械特性（速度 推力特性）、瞬态性能（速度响应）、速度稳定性和热特性等。 3课题的研究 对象， 方向 和意义 随着 高速加工机床对新型高速、高精密、大行程、大推力的进给系统的强烈需求。传统的数控机床直线进给系统一直沿用“旋转电机 +滚珠丝杠”的传动方式，现已不能满足高速加工的要求。而作为新型电机的永磁直线电机在这方面有着非常大的优势和潜力。 因而永磁直线电机的研究有着很重要的现实意义，也有着很大的学术价值。课题将以目前主流的永磁直线电机作为研究对象。 然而即使这样，因为永磁直线电机的种类繁多，要想全面的研究，不是 一个大四的学生所能办到的， 所以 研究的重点决定放在永磁直线电机中最有潜力的永磁直线同步电 机中。 考虑到永磁直线电机理论的匮乏与研究方法的不足， 在这方面还没有系统的理论和设计方法，目前在这方面的研究还都比较分散和单一，而且有些还没有深入的研究。这会影响直线电机的反展和应用。 因此，课题定位为永磁直线电机直接驱动系统的基础理论研究，重点包括电磁场特性、稳态特性、力场特性以及结构参数对电磁参数、力特性的影响、推力波动特性（边端效应、齿槽效应）等。本课题的研究将为永磁直线电机的分析与设计、制造与选用建立理论基础，为永磁直接驱动系统的控制奠定基础。因此，本课题的研究在永磁直线电机直接驱动系统的设计、制造 与应用中具有“基础”地位作用。 鉴于永磁材料在这类电机发展中起到的重要作用，课题会涉及一下这方面的内容，但不会很多。 4 课题采用的 方法 和软件的介绍 本次课题 将采用有限元分析方法对永磁直线电动机进行分析 。 所用到的软件为通用有限元软件 ANSYS，下面是简单的介绍。 有限元 分析 有限元分析（ FEA， Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的 (较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的 满足条件 (如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引 起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。 有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。 20 世纪 60 年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（ Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法 =Rayleigh Ritz 法分片函数”，即有限元法是 Rayleigh Ritz 法的一种局部化情况。不同于求解（往 往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz 法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。 简单来说，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。 通用有限元分析软件 ANSYS ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元 分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发，它能与多数 CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I DEAS, AutoCAD 等， 是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析 以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了 100 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 这次设计将用它来进行永磁电动机的仿真建模及有限元分析。 4 设计思路及方案 电机内电磁场的分析计算是电机设计的基础。它直接影响电机的性能和指标。 由于有限元方法能够用 来对复杂的情况进行精确的分析， 本次课题，我们将采用有限元方法对永磁直流电动机 的电磁场进行 分析 和设计 ， 对如何降低端部效应进行优化设计，并在这个基础上对永磁直线电机其他的缺陷进行深入的研究。这里 我们 准备了两份方案， 先完成第一个方案，然后有时间再进行第二个方案的实验 方案一 2D 首先我们通过 ANSYS 在计算机上建立一个与实际电动机相应的 2 维 有限元模型， 将原始电动机得到规格数据赋予这个模型。 然后在计算机上对这个模型进行仿真运行。在