毕业设计61基于ANSYS8.0的永磁直线电机的有限元分析及计算

基于 ANSYS8.0的永磁直线电机的有限元分析及计算 学生姓名 ： 沈沉 指导 教师 ： 余佩琼 浙江工业大学信息工程学院电气工程系 摘 要 永磁直线电机是一种具有很高定位精度的新型电机。不同与其他励磁的直线电机，它采用永磁体作为励磁源。研究其磁场分布及力特性具有重要意义。相对于传统的解析法，有限元数值分析可以缩短电机的设计周期及减少设计成本，可对直线电机的磁场及力得出精确的分析。 ANSYS8.0是一种在工程中广泛使用的有限元分析软件，采用该软件中的电磁场分析功能对永磁直线电机的磁场进行有限元的分析和 计算，并在此分析的基础上对永磁直线电机的力场做进一步的计算和分析，对永磁直线电机的设计具有重要的工程意义。 通过电磁场的有限元数值分析方法，利用通用有限元分析软件 ANSYS8.0建立平板型单边永磁直线电机的有限元模型，分析其 2维静态磁场，得到初步的分析结果，并在这个分析的基础上对永磁直线电机的力场进行了进一步的分析，计算直线电机的推力和法向力，结合永磁直线电机的静态磁场，研究了永磁直线电机推力及法向力和电流变化的相互关系，对今后永磁直线电机的设计和研究具有一定的参考意义。 关键词 永磁直线电机、有限元、 ANSYS、电磁场、推力、法向力 Finite Element Analysis and Calcultation of a Permanent Magnet Linear Motor Based on ANSYS8.0 Student: Chen Shen Advisor: Peiqiong Yu Department of Electric Engineering College of Information Engineering Zhejiang University of Technology Abstract The permanent magnet linear motor is a kind of new electrical engineering that has the very high fixed position accuracy.The differents between the permanent linear motor and the type of non-permanent is that it adopts thepermanent be the source of dlux Opposite in traditional resolution method,Finite element analysis can shorten the design period of the electrical engineering and reduce to the design cost,it also can get the analysis of a precision tu the magnetic field and fotce of the linear motor the ansys8.0 is a finitr element analvtical software. Throught the method of the Finite element for the electromagnetic analysis,we use ANSYS8.0 creat a model for the Permanent magnet lineat motor with finite element method.We analysis its 2-D setaic magnetic and get the first result. Then we analysis the force field by finish the analysis of its magetic field We calaulate the thrust and normal force combining the analysis of the permanent magnet linear motor,study the relationship between thecurrent and thrust,normal force.The work for this paper can give some help and advice to the study and design of the permanent linear motor Keywords PMLSM, ANSYS, FEM,Electromagnetic field, thrust, normal force 致 谢 在本次毕业设计的过程中，首先要衷心感谢我的指导老师余佩琼，在这一个学期的的毕业 设计期间给于我很多的指导和帮助，在我遇到困难的时候，给了我许多有用的建议和提示。本文的顺利完成，离不开导师的关怀和悉心辅导，再次表示衷心的感谢。 同时，也感谢学校对毕业生学习工作的关心和支持，使我们能够顺利的进行毕业设计，感谢信息学院给我提供了良好的实验室，感谢学校图书馆及其网络资源，使我能查阅一些非常重要的参考资料。感谢我的朋友，同学对我支持，帮助。 最后感谢所有关心和支持毕业设计的学校领导和工作人员。 目 录 中文摘要 .i 英文摘要 . ii 致谢 . iii 目录 .iv 表列 . x 图 列 . xii 第一章 绪论 . 1 1.1 直线电机的发展和应用 . 1 1.2 直线电机的分类 . 3 1.3 直线电机的工作原理 . 4 1.4 有限元分析及相关软件的介绍 . 5 1.4.1有限元分析简介 . 7 1.4.2通用有限元软件 ANSYS8.0 . 7 1.5 课题的主要意义和论文的主要工作 . 7 1.5.1课题的主要意义 . 7 1.5.2论文的主要工作 . 8 第二章 ANSYS 8.0及其在电磁场有限元计算中的应用 . 9 2.1 电磁场的有限单元法 . 9 2.1.1 基本方程 . 9 2.1.2 位函数及边界条件 . 9 2.1.3 有限元法的求 解 . 11 2.2 电磁力计算方法 . 12 2.2.1 虚功法 . 12 2.2.2 MAXWELL张量法 . 12 2.3 ANSYS有限元建模 . 14 2.4 网格的划分 和单元的选定 . 17 2.4.1网格的划分 . 17 2.4.2单元的选定 . 17 2.5 边界条件的加载 . 18 第 3章 永磁直线电机的电磁场有限元仿真分析 . 20 3.1 永磁直线电机的磁场分析方法概述 . 20 3.2 永磁直线电机的磁场有限元仿 真模型 . 20 3.2.1永磁直线电机的结构 . 20 3.2.2永磁直线电机磁场有限元模型的建立 . 21 3.3 永磁直线电机的磁场分析 . 23 3.3.1永磁直线电机边端效应 . 23 3.3.2永磁直线电机齿槽效应 . 24 3.3.3永磁直线电机磁场变化 . 24 第 4章 永磁直线电机的力场特性的有限元仿真分析 25 4.1 永磁直线电 机的矢量控制 . 25 4.2 推力 和 法向力与电流的大小的 分析 . 27 4.2.1推力 和法向力与 电流的大小 关系 . 27 4.2.2 推力系数 . 28 4.3 推力与法向力与电机电流相位的 分析 . 28. 4.3.1推力与 法向力 电流相位 关系 . 28 4.4 推力与法向力的波动问题 . 28 4.4.1永磁电机空载时 的输出力 . .29 4.4.2永磁电机额定电流下 的输出力 . 31 第 五 章 结论与展望 . 34 参考文献 . 35 附录 ANSYS8.0使用说明 . 36 表列 表 2 1 材料特性 . 14 表 2 2 可选择单元类型 . 17 表 3 1 永磁直线电机参数 . 21 表 4 1 推力和法向力随电流 大小变化 数据 . 28 表 4 2 推力和法向力随电流相位变化数据 . 30 表 4 3 空载时推力和法向力波动变化数据 . 31 表 4 4 额定电流下推力和法向力波动变化 . 32 图 列 图 11 直线电机按工作原理的分类 . 3 图 1 2 由旋转电机演变为直线电机的过程 . 4 图 1 3 直线电机的工作原理 . 4 图 1 4 有限元模型 图 . 4 图 1 5 最大切应力 等应力线图 . 5 图 2 1 永磁直线电机的 2-D实体 . 15 图 2 2 永磁直线电机的 3-D实体模型 . 15 图 2 3 定义完材料属性后的实体模型 . 16 图 2 4 永磁直线电机的网络划分 . 17 图 2 5 加载力标志和边界条件 . 17 图 2 6 PMLSM的电流密度 . 17 图 2 7 PLANE53 . 18 图 2 8 边界条件示意图 . 19 图 3 1 平板永磁直线电机的结构 . 21 图 3 2 PMLSM绕组接线圈 . 21 图 3 3 永磁直线电机的有限元模型 . 21 图 3 4 铸铁的 B-H曲线 . 22 图 3 5 初级铁芯的 B-H曲线 . 22 图 3 6 网格分布（局部） . 22 图 3 7 永磁直线电机磁力线图 . 22 图 3 8 永磁直线电机磁通密度矢量图 . 22 图 3 9 永磁直线电机磁场强度矢量图 . 22 图 3 10 永磁电机左边端效应 . 23 图 3 11 永磁电机右边端效应 . 23 图 3 12 永磁体单独作用的磁力线图 . 23 图 3 13 额定电流单独作用下的磁力线图 . 23 图 3 14 合成磁力线图 . 23 图 4 1 矢量变换 . 26 图 4 2 推力随电流大小变化曲线 . 27 图 4 3 法向力随电流大小变化曲线 . 27 图 4 4 推力随电流相位变化曲线图 . 28 图 4 5 法向力随电流相位变化曲线 . 28 图 4 6 初级移动的过程示意图 . 28 图 4 7 推力波动 . 29 图 4 8 法向力波动 . 29 图 4 9 额定电流下推力波动 . 31 图 4 10 额定电流下法向力波动 . 32 第一章 绪论 1.1直线电机的发展与应用 直线电机是一种将电能直接转化成直线运动机械能而不需要任何中间转换机构的传动装置。在结构上 , 直线电机相当于旋转电机在顶上沿径向剖开并将其圆周拉直 , 工作原理同旋转电机相似。因为它不需要 任何中间环节就可直接驱动被控制对象产生直线轨迹运动 , 所以我们把直线电机的传动方式称为 “零传动 ”。 由于采用了 “零传动 ”, 从而较传统的 “旋转电机 + 机械变换环节 ”的传动方式有明显的优势 , 如结构简单、无接触、无磨损、噪声低、速度快、精度高等。近年 , 随着工业加工质量和运动定位精度等要求的提高 , 直线电机受到了广泛的关注。在国外 ,直线电机驱动技术已进入工业化阶段 , 但国内尚处于起步阶段。 近几年 , 直线电机研究开发很快 , 其结构设计、控制理论和电机原理等方面都有了很大的进展 , 并已应用到国民经济的多个领域 , 很多机械的直线运动均由直线电机完成，它是一种很有发展前途的新型电机。 直线电机的历史最早可追溯到 1840 年惠斯登提出和制作雏形但不成功的直线电机 , 至今已有 160 多年。其发展大致可分为三个阶段 : 探索实验阶段 (18401955)、开发应用阶段 (19561970) 和实用商品化阶段 (1971)。 1探索实验阶段 (18401955) 从 1840 年到 1955 年的 116 年期间，直线电机从设想到实验到部分实验性应用，经历了一个不断探索，屡遭失败的过程。由于当时的制造技术，工程材料以及控制技术的现状，在经 过断断续续 20 多年的顽强努力后，最终却未能获得成功。 2开发应用阶段 (19561970) 自 1955 年以来，直线电机进入了全面的开发阶段。这个时期，它可以说是直线电机的“文艺复兴时期 ”。特别是该时期的控制技术和材料的惊人发展，更加助长了这种势头。这种增长一方面固然是控制技术和材料促进了这种势头，另一方面，前些年的理论探讨和实验研究工作作为多年的技术贮备起到了重要的作用。 3实用商品化阶段 (1971) 从 1971 年始到目前的这个阶段，直线电机终于进入了独立的应用时代，在这个时代，各类直线电机的应用得到 了迅速的推广，制成了许多具有实用价值的装置和产品。 目前，直线电机在世界各国的应用大致可分为五个方面，即物流系统、工业设备、信息与自动化系统、交通与民用、军事及其它。 1.2 直线电机的分类 根据不同的标准 ,直线电机有不同的分类型式。直线电机按其结构型式主要可分为扁平型、圆筒型、圆盘型和圆弧型四种。 扁平型直线电机是一种扁平的矩形结构的直线电机，它有单边型和双边型之分。每种型式下又分别有短初级长次级或长初级短次级。圆筒型直线电机为一种外形如旋转电机的圆柱形的直线电机。这种直线电机一般均为短初级长次级 型式。在需要的场合，我们还将这种电机做成既有旋转运动又有直线运动的旋转直线电机，至于旋转直线的运动体既可以是初级，也可以是次级。圆盘型直线电机，即该电机的次级是一个圆盘。其初级可以是单边型也可以是双边型。圆弧型电机，它的运动型式是旋转运动，且与普通旋转电机非常接近，然而它与旋转电机相比也是具有如圆盘型直线电机那样的优点，圆弧型与圆盘型的主要区别，在于次级的型式和初级对次级的驱动点有所不同。 直线电机，特别是直线感应电动机，按其功能用途主要可分为力电机，功电机和能电机。 1力电机 力电机是指单位输入功率所能 产生的推力，或单位体积所能产生的推力，主要用于在静止物体上或低速的设备上施加一定的推力的直线电机。它以短时运行、低速运行为主，例如阀门的开闭、门窗的移动、机械手的操作、推车等等。这种电机效率效低，甚至为零 (如对静止物体上施