毕业设计103直线可变磁阻式永磁电动机的3维空间有限元分析

直线 可变 磁阻式 永磁电动机的 3 维空间 有限元分析 Pengtao Liu, Peter Graszkiewicz and Theo Kangsanant Department of Electrical Engineeting RMIT University 摘要 : 直线 可变 磁阻式 永磁 (横向磁场 )电动机 能够产生很高 推力密度 。 本文 介绍 3维空间有限元分析在这类 电动机中的应用 。 建立一个 半剖面 模型 的目的是为了 简化计算 。 考虑了相端电压 的影响 .电动机的 静力 被计算出来 。 一台 原型 电动机 的测 试结果被用来做为比较 . 1. 引言 最近 ， 横向磁通结构的永磁电动机 正 引起人们更多的关注 。 这种电动机能够在低转速时产生很高的转矩或 推 力 。因此它们具有 广阔的应用 前景，比如 在直接驱动方面 。 1988年 ,Weh1提出了 2 种横向磁通永磁机器 (TFPMM).1993 年 ,Harris 和 Mecrow2,3研究 了 这种机器的一种相反的版本， 他 们称它为 可变磁阻永磁电动机 (VRPMM)。 Mitcham4报道了20MW的 TFRMM在船的直接 推进力上的发展 。 除了高转矩密度 ,这种电动机因还具有低振 动和高可靠性 的优点 而受到期待 。 Henneberger 和 Bork5研究了三相单边 TFPMM。 这种电动机制造简单并且常规的变极器就能供它使用 .Huang6在 常规粒度 和功率密度 方面 对 TFPMM 与其他常规 电动机进行了比较 。 高性能的计算机和软件的有效使用使 3 维 有限元分析在电 动 机新 式 结构中的应用 更加容易， 和 2 维有限元分析 7相比， 3 维有限元分析使人们获得了对电动机新式结构 运行 情况的 更 好了解。 在一些情况下 ,磁通分布状态 的复杂性 使得 应用 3 维有限元分析 是必需的8. 这篇论文涉及到直线 VPRPMM。 这种电动机的结构原理 图如 图 .1所示 。电动机 的次级由排列的永磁体 和 带铁轭的铝板组成 。 初级由 安装在 电 动 机底部并且被一个简单 线圈连接的 C 型铁心 序列组成 。 2.仿真建模 我们使用 ANASYS5.4软件包 对 一 直线 VRPMM进行 3维有限元分析 的仿真建模 。只 使用 半剖面 模型 是 考虑到为了缩短分析的计算 时间 。 设定 C型铁心 侧的周期性 边界条件 垂直于电动机的运动方向 。 电动机 对称 平面 上的边界条件是普通 磁通 。 电动机其他侧的边界条件是平行磁通 。 在 3维立体表面上 划分的带有周期条件的网格 是对称 的 。 因为绝大多数的场能量存储 在气隙和永磁体中 ,在这些区域中划分的网格具有更高密度 。 这个 3维 有限元分析模型 如 图 2a.所示。 图 2b 显示了一个计算 得 到的 磁通分布状况 结果 的例子 。 3 静力 3.1 顿振推力 顿振推 力的产生是因为 C 型铁心具有和磁体排列成一条直线的 趋势 ,因为这样穿过的磁路才 是最大的 。这种现象 即使在 没有电流通过的时候 也是存在的 。 电动机的输出力可以表示为磁场共能关于位移的偏导数 : 在 这里 F 表示力 ,W 表示 磁场共能 ， x 表示位移 。 为了能够用有限元进行分析，我们把 (1)式 转换成下面的式子： 式子 中 x表示 移动部分的位移 量 ,W(x+ x)和 W(x)表示 磁场共能 在两个末端 的值 。 Figure3显示了 对原型电动机单相在无电流条件下的 磁场共能 3维空间的计算结果。 原型电动机的规格在第 5节中给出。 由（ 2）式得出的与之 相对应的 顿振推力 特征 曲线如 图 4 所示。顿振推力 的变化是非正铉的 ，它的最大值和高度有 关 。 然而 ,总 顿振推力 在多相电动机中并不明显。那是 因为 每相的推力分布状态 在空间中 相互位移，产生了一个抵消效果。 3.2 合力 合力的计算 ,也就是当电流供给电动机 时 产生的力， 和 顿近推力的计算 是相似的 。 图 5显示了同一台电动机在磁动势为 800A的恒定相电流下每相 磁场共能 3d计算的结果 。 获得的合力的特征 曲线显示在图 6.在 两个 领近磁体 的中点相 对 应的位移 量 是零 。 4.相电压 VRPMM的相端 电压是 式子中 的 i 表示 相电流 ,R 表示 相线圈 电 阻，表示总 耦合 磁 通 ,由 相电流磁通和永磁体磁通两部分 构成 ， 因此 L-相自感 系数 ,m-相线圈和永磁体的 耦合 磁通 ,n-每相线圈的绕 数 。 L和 m的值能够 通过 3维有限元 模型 计算得出。 永磁体 构成的磁通 通过下面的关系式 计算 得出： 式中 表 示 C型铁心的横截面积， 则是指磁通密度向量，假设该向量垂直于 C型铁心的对称平面。则 与 位移 相对应的线圈和永磁体的耦合磁通值如 图 7所示，由 计算机计算得出。 相自感 系数由 一个交互的 和一个恒定的 部分 组成 。 它能够由 下面的关系 式计算得出： Wco 表示 有限元模型中与电流相关的磁共能。设定的有限元模型中 L的最大和最小值在表 1中给出 。 5.实验结果 实验室的实验装置显示在图 9中 。 一个高精度的 LVDT 用来测量位移 ,一个负载单元用来 进行力的测量 。 在图 8中显示的原型 电动机的数据如 下 所示 : C型铁心 宽度 a=11.5mm 齿 槽 厚度 b=13mm C型铁心 高 度 c=20mm 槽宽 d=10mm 槽深 e=10mm 磁体 长度 f=3.3mm 磁体 宽度 g=11.5mm 铁轭 高度 j=10mm 气隙 k=1.5mm 磁体间距 m=10mm 测试中实际电动机顿振 力测量 值与仿真计算的结果 比较如图 4所示，合力的测量值与仿真结果的比较如图 6所示。 同样的 , 表 1中包括了相自感系数的测量值。比较所有的数据，我 们发现仿真 计算 的 结果基本上与测量值是相吻合的。 6.总结 实验中，我们建立了一个 3维有限元模型来 模拟 仿真 直线 可变磁阻 式永磁电动机 的静态性能 。 我们使用 这个模型 对 电动机 的一些 特性和电机 参数 进行了计算