基于ANSYS Maxwell的圆筒型直线永磁电动机磁场特性分析

摘要圆筒型永磁直线电机相比于传统旋转电机而言，由于其结构的优化，可以在实现直线运动时摆脱中间转换装置的束缚，其具备直线速度不受限制、机械损耗较小、适用场合较多等优点，随着直线电机技术的发展，圆筒型永磁直线电机被广泛应用于工用生产、民用生活及军用设备制造等一系列直线运动的场合，因此针对圆筒型永磁直线电机的研究具有重要意义。首先，本文对圆筒型永磁直线电机的发展演变过程及其内部基本结构进行简要介绍，并针对电机运行过程的基本特性及直线电机工作原理进行分析，为圆筒型永磁直线电机电磁特性分析建立基础。其次，从电磁场分析方法、时变电磁场基本方程、本构关系、边界条件等方面简单叙述电磁场分析理论，并对有限元方法的发展及原理进行相关叙述。然后，对本文所用电磁场仿真软件ANSYSMaxwell进行了简单介绍，并对电磁场仿真基本步骤进行了说明。在此基础上，搭建8极12槽圆筒型永磁直线电机等比例二维模型，从几何模型建立、网格剖分、求解、后处理等流程对仿真过程进行详细说明，并得到圆筒型永磁直线电机瞬态电磁分布特性及变化规律。最后，仿真值及理论值的对比结果表明，该模型能够准确的模拟分析圆筒型永磁直线电机的瞬态电磁特性，对电机的故障诊断及结构优化设计提供一定的理论支持，具有一定的工程意义。关键词：圆筒型永磁直线电机；电磁场；ANSYSMaxwell；瞬态场；ABSTRACTComparedwithtraditionalrotarymotor,tubularpermanentmagnetlinearmotor(TPMLM)cangetridoftherestrictionofintermediateconversiondevicewhenitisinlinearmotionbecauseofitsoptimizedstructure.TPMLMhasadvantagessuchasthatthelinearspeedisnotlimited,machinelossissmall,andtherearerelativelymanyapplications.Withthedevelopmentoflinearelectrictechnology,cylindricalpermanentmagnetsarewidelyappliedinindustrialproductionandcivilproduction.Thephrasehasanimportantmeaning.First,thispaperbrieflyintroducesthedevelopmentchangeprocessandinternalbasicstructureofthecylindricalpermanentmagneticlinearmotorandanalyzesthebasiccharacteristicsofthemotoroperationprocessandtheworkingprincipleofthelinearmotortoanalyzethecylindricalpermanentmagneticlinearmotor.Basedonanalysisofelectronicproperties.Next,theanalysistheoryoftheelectromagneticforcewasbrieflydescribedintermsofthemethodofanalyzingtheelectromagneticforce,thebasicequationofthetime-varyingmagneticfield,thestructurerelation,andtheboundaryconditions,andthedevelopmentandprincipleofthefinitecirclemethodweredescribed.Next,webrieflyintroducedANSYSMaxwell,theelectromotiveforcesimulationsoftareusedinthispaper,andexplainedthebasicprocedureoftheelectromotiveforcesimulation.Basedonthis,an8-pole,12-rowcylindricalpermanentmagnetstraightlineBuildaproportionaltwo-dimensionalmodelsuchasamotor,explainthesimulationprocessindetailintheprocessofbuildingageometricmodel,gridsegmentation,decomposition,andpost-processing,andobtainacylindricalpermanentmagnetlinearmotorinstantaneousdistributioncharacteristicsandchangerulesTodo.Finally,basedonthecomparisonofthesimulationvalueandthetheoreticalvalue,thismodelhasthetransientelectricalandelectricalcharacteristicsoftheaccuratecylindricalpermanentmagnetlinearmotor,andhasacertaintheoreticalvalueforthefaultdiagnosisofthemotorandtheoptimizationdesignofthestructure.Providesupportandhavecertainprocessimplications.Keywords:TPMLM；Keywordselectromagneticfield；ANSYSMaxwell；transientfield;目录TOC\o"1-3"\h\u8604摘要 I16750ABSTRACT II目录 III9202第1章绪论 1124601.1本课题研究背景与意义 1161561.2TPMLM的发展概况及基本结构 2167991.2.1TPMLM的发展概况 234721.2.2TPMLM的基本结构及特性 2226591.2.3TPMLM的工作原理 5122291.3本文的的研究内容 629785第2章电磁场分析方法与有限元 6121632.1电磁场分析方法 6275282.1.1电磁场基本分析方法 657272.1.2时变电磁场基本方程 8171112.1.3时变电磁场本构关系与本构方程 965072.1.4时变电磁场的位函数及其规范 1063772.1.5时变电磁场的边界条件 1128592.2电机有限元分析理论 11130252.2.1有限元的发展 1136462.2.2有限元的基本思想和步骤 12232552.3ANSYSMaxwell简介 1357402.3.1ANSYSMaxwell软件简介 1318592.3.2ANSYSMaxwell软件的主要特点 13294192.3.3ANSYSMaxwell基本仿真流程 1414996第3章TPMLM仿真模型建立 15133493.1建立有限元模型 15175353.1.1TPMLM电机参数 1541583.1.2仿真模型创建 1668623.1.3材料定义及分配 20177013.1.4激励源与边界条件定义及加载 21280953.1.5运动选项设置 23112683.1.6求解选项设置 24317873.2求解及后处理 2644173.2.1定位推力波动分析 2635973.2.2绕组反电动势分析 27157273.2.3绕组磁链分析 28287093.2.4磁力线分析 28160973.2.5磁密分布情况分析 3025030结论 3216572参考文献 3311800致谢 35PAGEPAGE7第1章绪论1.1本课题研究背景与意义目前，对于生产生活及设备制造过程中的直线驱动装置而言，其结构多为采用旋转电机为出力设备，并结合中间转换装置的直线驱动系统，但该系统空间限制问题明显，且中间转换装置会导致驱动系统的精度以及效率下降[1-3]。20世纪下半叶，多种学科得到快速发展，为了摆脱传统旋转电机的空间限制问题，并在此基础上进一步提高电机的能量转换效率，直线驱动技术产生。直线驱动技术是直线电机的核心技术，其主要意义在于直线运动驱动力的产生过程中，省略中间转换装置，从而使得电能转换为直线运动机械能的效率得以提高。直线电机结构主要有扁平型、圆筒型及盘型，具体结构可依据直线电机的使用要求进行选择。目前，由于工农业生产、民用生活及军用设备制造等系统对直线运动设备的精度及效率方面的需求，使得直线电机在上述场合广泛应用，由于直线电机的结构及其工作原理，使其具备以传统旋转电机提供驱动的设备所不存在的优点[4-5]。采用直线电机驱动的装置和其它非直线电机驱动的装置相比，具有以下一些优点：直线电机的核心原理为直线驱动技术，该技术使得直线电机相较于传统电机而言在空间使用效率、能量转换效率方面得以提高，且设备生产、日常使用、维护方面得到简化。（2）直线电机由于采用区别于传统旋转电机的直线驱动技术，因此在运行过程中其内部机械结构不受旋转惯性的作用，由旋转惯性所导致的设备磨损及转速限制问题得到解决。（3）直线电机在运行过程中，可将电能直接转化为直线驱动能量，由于其结构不存在中间转换装置并且在直线运动过程中无机械间的直接接触，因此内部零件磨损较小。（4）直线电机相较于传统旋转电机而言，噪声、温升较小，并且由于其结构的可封闭性，适用场合较多，且具备恶劣环境工作能力。虽然直线电机具备较多优点，但受到其结构的影响，直线电机仍存在较多问题。（1）对于直线电机而言，最明显的问题为端部效应，由于直线电机两端断开，因此在电机运动过程中，其端部磁场会产生明显畸变，受到端部磁场畸变的影响，直线电机在运动过程中会产生较多异常损耗，使得在端部出现推力减小的现象，从而产生整个运行过程的较明显运行波动。（2）受到端部效应的影响，直线电机在控制方面难度较高，由于直线电机在运动过程中，电磁参数不断变化，且端部推力波动明显，使得直线电机的控制要求较高。另一方面受到直线电机结构的影响，其安装较为复杂，且磁屏蔽问题需要注意。由于直线电机结构上所产生的电磁分布问题较为明显，因此针对直线电机电磁分布分析显得尤为重要，本文以圆筒型直线永磁电动机(tubularpermanentmagnetlinearmotor，TPMLM)电磁特性为研究对象，通过ANSYSMaxwell仿真软件对TPMLM进行二维电磁仿真，分析空载状态下电机内部电磁分布特性及推动力特性，为直线电机瞬态电磁分布特性提供参考。1.2TPMLM的发展概况及基本结构1.2.1TPMLM的发展概况早在1917年就出现了第一台圆筒型直线电机，在20世纪50年代中期，随着多种学科及技术的迅速发展，直线电动机的发展速度加快，直线发动机的优势开始得到体现，其应用范围也越来越广泛。例如，带有线性电动机的磁流体泵，自动绘图设备，磁头定位设备等。1971年后，直线电机进入了一个新的独立应用阶段，在旋转电机不适用的场合（石油开采、磁悬浮列车、金属冶炼、以及多种直线运动场合），直线电机各种相关理论及应用得到发展。1.2.2TPMLM的基本结构及特性直线电机的基本结构与传统旋转电机存在较大区别[6-7]，将传统旋转电机由中轴剖开，进而将其展开成平面则可得到直线电机基本结构，如图1所示为TPMLM演变过程。图1-1TPMLM演变过程相较于传统的旋转电机，直线电机在推力-速度特性、电流-气隙特性、推力-负荷因数特性、推力-线电压/功率特性方面存在一定的差异，上述特性可分别通过公式1-1~1-3进行计算。(1-1)式中，vs表示同步速度，v表示运行速度，单位均为m/s(1-2)式中，Fst表示起动推力，Fu表示摩擦力，单位均为N，vf表示空载速度。(1-3)式中，T表示一个周期时间，T1+T2表示整个通电时间。在上述计算的基础上，可得到直线电机特性曲线，分别如图1-2~1-7所示。图1-2推力-速度特性曲线图1-3推力-气隙特性曲线图1-4电流-气隙特性曲线图1-5推力-负荷因数特性曲线图1-6推力-线电压特性曲线图1-7推力-功率特性曲线TPMLM在运动过程中，其基本运行原理与运行方式与一般直线电机类似，即在直线方向TPMLM的定子与动子进行相对位移从而产生直线驱动力，但与一般直线电机相区别的是，TPMLM不存在绕组端部，因此TPMLM不存在一般直线电机的边端效应[8-11]，但在对TPMLM进行分析时需要注意由于其结构问题所产生的漏磁系数的差别，在计算TPMLM漏磁系数时定义初级内径为D1，则对于槽高为hs1、槽宽为bs1的开口槽，其槽漏磁导系数可按式(1-4)进行计算：(1-4)若次级嵌置环装导条，令次级外径为D2，槽高为hs2，槽口为bs2，其槽漏磁导系数可按式(1-5)进行计算：(1-5)当忽略TPMLM边端效应时，TPMLM的推力Fst可通过下式进行计算：(1-6)式中，ρr为次级表面电阻，Js为初级表面电流，A为电机作用面积。TPMLM的运行特性曲线如图1-8所示，由图可以看出，在输入功率2~5kVA的区间，Fst/P保持在62~64N/kVA，而此时对应的Fst/M维持在13N/kg。图1-8TPMLM运行特性曲线1.2.3TPMLM的工作原理TPMLM的工作原理区别于传统旋转电机但与一般直线电机工作原理类似，以三相TPMLM为例进行分析，当TPMLM正常运行时，以电流为激励源，绕组在电流的作用下，感应产生气隙磁场，结合TPMLM的演变过程，其内部气隙磁场类似传统旋转电机平面展开情况，但该气隙磁场不再进行旋转运动，而是进行直线运动，为了与传统旋转电机磁场进行区分，一般将直线电机气隙磁场称之为行波磁场，结合图1-9可以看出，行波磁场基本为正弦波，且TPMLM中行波磁场运行速度与传统旋转电机旋转磁场的线速度一致，vs称为同步速度，且vs满足：(1-7)结合图1-9对直线电机次级受行波磁场的影响进行初步分析，在行波磁场的作用下，TPMLM的次级将产生感应电流，此时，TPMLM的运动轴电流与气息磁场相互作用产生电磁力，该电磁力成为TPMLM的直线驱动力，使得TPMLM沿直线运动。图1-9TPMLM工作原理1.3本文的的研究内容（1）了解TPMLM的国内外研究现状，掌握TPMLM的结构组成及工作原理。（2）了解电磁场计算的基本方法及有限元法的基本原理和计算过程。（3）学习并掌握ANSYSMaxwell仿真软件对于模型建立、网格剖分、求解设置、后处理及结果分析的基本操作流程。（4）应用ANSYSMaxwell软件建立TPMLM二维仿真模型，并模拟电机空载时的运行状况，对不同时刻下电机的电磁场分布进行分析与总结。（5）对TPMLM在稳态运行过程中的绕组磁链、磁密分布、反电动势及推动力进行分析，并总结其变化规律。第2章电磁场分析方法与有限元2.1电磁场分析方法2.1.1电磁场基本分析方法电机磁场分析的基本方法基本可以等价为：设置电机磁场分析的约束条件（边界、初始条件），在约束条件的基础下进行偏微分方程组的计算，并得到约束条件下的唯一解，从而实现电磁场计算与分析。工程上常用的方法有模拟法、解析法、图解法及计算法四中方法对电磁场问题进行求解[12-18]。如图2-1所示，为电磁场基本方法示意图。图2-1电磁场问题的基本求解方法不同方法适用于不同的求解问题中，一般根据具体问题选择具体求解方法[19-20]。（1）解析法解析法的核心在于：在满足初始状态及边界条件约束下找到一个连续可导函数，然后将该函数的偏导数带入到所求偏分方程中得到恒等式。解析法的优点在于求解精确，但求解限制较大，只在某些特定的边界条件下才能利用解析法进行求解，因此在实际的电机电磁场求解问题中受限较大，其应用范围较小。（2）图像法图像法常用于对电机稳态场问题的求解，其主要求解思路是根据稳态场特性画出相应的磁力线及等位线分布情况，根据曲线的稀疏及密集程度直观的分辨出磁场的大小。早期，在传统解析法明显受限的情况下，图像法成为电机磁场求解问题常用的有效方法。图像法的有点在于直观、形象、求解范围大，缺点在于精确性较低，且在出图时往往需要反复进行修改。虽然理论上，图像法不受区域内是否存在电流及媒质线性与否的限制，但图像法对于非线性媒介姐有电流区域的求解过程非常复杂，因此，一般对于非线性媒质及无电流区域的稳态磁场求解问题，才选择图像法。综上所述，虽然理论上图像法在工程实际中能够应用，但其准确性较低，且对于没有作图技巧及经验的然来说，很难达到工程技术指标要求。（3）模拟法模拟法主要是利用某种合适的装置对磁场进行模拟，并通过对装置的不断测试求得最优解。早期，模拟法常用于对边界形状比较复杂的电磁场进行求解。在计算机技术及电力电子器件被广泛应用之前，模拟法以其精度较高且适用范围较广的优点称为备受欢迎的一种求解方法。至今，模拟法依然应用于某些场合，但其缺点在于需要配备一套专门的模拟设备及相应的测量仪器，且对于不同的求解问题其设备需求及参数范围不同，计算过程过于复杂且消耗成本较大。（4）数值解法数值法的计算思路是把求解域剖分成有限多个单元或网格，然后以网格或者单元上各节点值为未知量，借助合适的数学模型建立代数方程组，最后利用迭代法计算出方程组中各个未知数的函数值。随着计算机技术的迅速发展，由于模拟法不受求解区域限制且求解精度较高，成为当今求解磁场问题的最主要的方法。其中，有限元法是数值求解中最常用的方法。由于对于有限元法的研究已经较为完备且相应的计算软件也较为成熟，因此该方法被广泛应用在电机的电磁场计算分析中。国际上常用的有限元软件主要有AYSYS、ANSOFTMAXWELL等。2.1.2时变电磁场基本方程时变电磁场分析的基础是以积分形式及微分形式的电磁场方程(Maxwellequations,Lawofconservationofcharge,Lorentzlawofforce)为基础，其中麦克斯韦方程的微分形式为：（2-1）式中，H代表磁场强度；J代表传导电流密度；B代表磁通密度；D代表电位移；ρ代表自由电荷体密度。麦克斯韦方程的积分形式为：(2-2)电流连续性定律可以视为电荷守恒定律的另一种表达形式，对于电磁场中绝对封闭不关联的系统而言，当其内部产生变化时，其中电荷数值的累积结果保持不变，电流连续性方程的微分形式为：(2-3)对于恒定电流而言，等式右侧等于0，表明恒定电流为无源场，电流线连续闭合。电流连续方程的积分形式为：(2-4)对于分布在电磁中的电荷或电流，其单位体积受力积分形式：(2-5)微分形式：(2-6)2.1.3时变电磁场本构关系与本构方程由于电磁场作用下存在极化强度矢量P对应的极化状态，磁化强度矢量M对应的磁化状态，及传导电流密度J对应的传导状态，在微观条件下各个参数与其相应的状态一一对应，其物理关系明确，但是代表各个状态的特征参数实验过程中难以有效量测，因此需要借助新的关系用以描述物质宏观电磁特性，即本构关系[21-22]；另一方面，对于时变电磁场基本方程之间的给非立性以及变量多、方程数目较少的问题，也需要引入本构关系，实现电磁场基本方程的完备性。本构关系的具体数学表达形式即为本构方程，电磁场分析计算中一般以电感应强度D、电场强度E、磁感应强度B及磁场强度H为分析对象，建立本构方程，对于各向同性媒质，存在：(2-7)(2-8)对于线性、各向均匀媒质，存在：(2-9)(2-10)对于各向异性媒质，其本构关系为：(2-11)(2-12)由于二阶张量比标量复杂的多，因此，一般情况下电磁场计算值讨均匀线性各向异性媒质的情况。2.1.4时变电磁场的位函数及其规范为了使电磁场计算进一步得到简化，可通过引入位函数来描述时变电磁场。由麦克斯韦方程组的磁通连续定理▽·B=0，根据矢量恒等式，如果一个矢量的散度为0，则该矢量可由另一矢量的旋度进行表示，则令：(2-13)式中，矢量A为时变电磁场的磁矢位，其表示任意时刻，矢量A沿任意闭合回路L的线积分等于该时刻通过以L为边线的曲面S的磁通量。对于时变磁场而言，电场的旋度不为0，不可对标量电位进行定义，但在法拉第定律中，可通过式（2-13）进行描述，从而得到：(2-14)式中φ为时变磁场标量电位。由式（2-14）可得：(2-15)式（2-15）实现以位函数表示时变电磁场矢量目的。由于矢量磁位A的存在，使得B不产生变化，但E会受到A的影响，因此，在A进行变化时φ也应做相应的变化，使得E保持不变，该变化过程称之为规范变换：(2-16)进一步：(2-17)2.1.5时变电磁场的边界条件对于采用时变电磁而言，其计算过程中为了使得各个求解边界及求解域中电磁参数、相关参数、计算参数在时空变化过程中保持一致性需要引入边界条件进行限制，时域电磁场常用边界条件主要有三种：Snowmanboundarycondition，Dirichletboundarycondition、及组合边界条件。Dirichletboundarycondition可以表示为：(2-18)式中，Γ代表狄利克莱边界；g(Γ)代表位置函数，其既可以是常数也可以等于零；当其为零时，则该条件被称作其次狄利克莱边界条件。偌依曼边界条件可以表示为：(2-19)式中，Γ为偌依曼边界，f(Γ)和h(Γ)可以是一般函数、常数或等于零。当其等于零时，被称为其次偌依曼条件。2.2电机有限元分析理论2.2.1有限元的发展有限元方法几乎能够对任意复杂的工程进行机械性能分析、信息计算及结构分析[22-23]。1943年，Courant首次对有限元思想进行阐述，这是有限元思想进入人类视野的开端。1950年前后，有限元法被首次应用到航天航空系统中。1965年，Winslow采用有限元法分析加速器磁铁的饱和效应，这是限元法在电气工程领域的首次应用。P.Silvester在1970年提出了采用有限元思想对电机正常及故障运行下的电磁场问题进行分析[24]。此后，有限元思想被广泛应用在工程电磁场的计算分析中。计算机技术的不断革新和飞速发展使得有限元法的计算速度不断加快，其成为解决电机问题常用的、比较先进的计算方法，此外，有限元法以其优越性被广泛应用在各种电气工程问题的计算中。在1980年前后，随着B样条有限元法的推出和应用，有限元法的求解精度被进一步提高。目前，有限元法在瞬态涡流场、稳态场、非线性瞬态涡流场的计算分析中得到广泛应用。2.2.2有限元的基本思想和步骤有限元法时将复杂问题简化处理后在进行计算求解。有限元方法将解决域划分为有限数量的子区域，对每个单元给出简单合理的近似，然后研究全局解域的条件，从而最终解决问题。这是一个精确度较高的解，而不是准确解，实际工程中由于其复杂性而很难得到准确解，只要精确度够高就可以。有限元方法不仅使用方便简单，而且在一定的要求下其计算精度较高，并且适合处理不规则几何模型数值求解问题，因此对于电磁场分析计算，有限元方法逐渐成为主要分析方法及工具。有限元求解的基本流程为：根据初始条件建立积分方程对求解域进行单元剖分根据几何形状及求解精确度需求确定单元基函数确定各单元有限元方程根据区域中所有单元有限元方程得到总体有限元方程根据边界条件对总体有限元方程进行修正对修正后的有限元方程进行求解，得到各单元节点的函数值。至此，完成有限元求解的全过程。2.3ANSYSMaxwell简介2.3.1ANSYSMaxwell软件简介本文使用有限元仿真软件AnsysMaxwell对无刷直流电机进行建模仿真，AnsysMaxwell是一款通用于不同领域的有限元仿真软件，该软件能够对工程中的电场、磁场、声场、结构、流体问题进行分析，并且能够与其它很多软件（如Pro/Engineer、ALOGOR、AutoCAD等）进行连接，实现信息的传递和共享，是现代工程设计中最常用的工具之一[25-26]。AnsysMaxwell软件主要由三部分组成：（1）前处理模块，用户可以根据工程仿真需求构建有限元模型（2）分析计算模块，对所需工程计算问题进行相关设定及优化计算。（3）后处理模块，对计算结果进行显示进行自定义化设定。通常，对于电机的仿真主要是分析其运行时内部的电场、磁场等各个物理场的情况，以及当产品出现故障时对应的内部磁感应强度、磁通密度的变化规律，进而判断故障可能导致的后果。同时，还可以模拟电机运行时的转矩、反电动势及磁链变化情况及运行效率，为后续对电机的性能分析及故障诊断提供理论依据。2.3.2ANSYSMaxwell软件的主要特点（1）分析功能十分强大且广泛：AnsysMaxwell软件能够对电场、磁场、热等物理场及多场耦合问题进行仿真和分析。（2）整体化处理：集前期处理、自动网格划分、求解、后期处理、性能优化于一体的大型有限元软件。（3）具有多种求解器，适合多种类型场的分析和计算，如瞬态场、稳态场、涡流场、静态场等等。（4）应用领域广泛：AnsysMaxwell软件的应用领域十分广泛，如航天航空、机械、电力等。（5）兼容性强：AnsysMaxwell软件有可以与其它软件对接实现信息交互和传递，支持多场的耦合计算。2.3.3ANSYSMaxwell基本仿真流程（1）模型创建AnsysMaxwell软件为用户提供了功能强大且操作简易的仿真工具。AnsysMaxwell软件对相关命令菜单的编排十分具有逻辑性，所以在建模时为了节省时间、简化流程，也要严格按照此顺序进行建模。因此，整个模型建立过程的具体操作步骤可以概括如下：1）确定目标模型的类型及属性。2）根据网格剖分尺寸选择适合的单元类型。3）定义模型各组成部件的材料属性。4）建立实体物理并划分网格。（2）单元选择利用AnsysMaxwell软件可以根据使用要求及计算精度要求，建立2-D或3-D模型，无论是二维还是三维方式，其建模型都由点单元、线单元、面单元及体单元组成。下面将分别对AnsoftMaxwell软件二维建模及三维建模的特点进行简单介绍：二维建模：该模块能够对模型进行静电场、时域/静电磁场、温度场及机械应力场进行建模分析，另外，Maxwell2D具备外置电路模型，该外电路可以被导出并可以被应用在其他模型中（如SIMPLORER模块、电路分析工具等）。三维建模：该模块主要用来建立三维仿真模型，三维建模与二维建模的功能基本一致，但较二维建模其更直观、更精确。当实际工程问题中不可忽略涡流效应、位移电流以及集肤效应时，一般采用三维建模。模型经运行计算后，可以获得一系列电磁设备的电磁场分布特性（如变压器、螺线管、电机等），同时能够计算模型的功率损耗、涡流损耗、阻抗、磁链、力、转矩、电感、储能等参数，除此之外，能够直观的显示整个模型或者模型中某一部件的磁通密度、磁力线、电流密度、温度等的分布情况。本课题选择三维建模方式。（3）网格划分对于有限元分析及计算问题，为了提高计算结果的精度以及加快收敛速度，需要针对模型进行相应的差异化网格划分，而网格划分的最终情况直接影响计算结果，AnsoftMaxwell中网格划分的方式主要包括两种，分别为自适应网格划分和手动网格划分，自适应网格剖分无需进行设置，软件可以根据建模情况进行自动网格剖分；手动网格划分需用户根据需求对模型的各部分进行网格剖分设置。（4）加载求解当模型的几何结构建完后，在AnsoftMaxwell求解器对模型的计算时长及步长进行设置。考虑到计算精度及计算量的问题，在实际建模过程中要选择适合时长及步长，以便在简化计算的同时能保持计算精度。值得注意的是，在添加激励设置时，施加激励必须是几何体的截平面。在进行瞬态场计算时，当计算过程中需要考虑涡流效应时，可以执行以下操作指令Modeler/seteddyeffect，对相应的导体进行涡流计算。后处理后处理模块可以查看模型在某一时间段内、某一时刻的计算结果。通过相关操作指令，可以使计算结果通过图表、曲线、矢量图及云图的形式显示出来，软件还支持用户对当前的显示内容进行调控，以便显示最优图形，并且能够导出并保存。第3章TPMLM仿真模型建立3.1建立有限元模型3.1.1TPMLM电机参数本文针对TPMLM建立二维电磁仿真模型，其中TPMLM的基本参数如表3-1所示：表3-1TPMLM基本参数相数3极数8额定电压300V槽数12频率50Hz同步速度2.3m/s电机结构示意图如图3-1所示。图3-1电机结构示意图3.1.2仿真模型创建（1）仿真项目创建及分析类型设定为了建立新的仿真项目并确定2D设计分析类型，通过选择项目管理器，并选择插入麦克斯韦2D设计。通过指向Maxwell2D求解方案类型命令，分别选择磁性的时域分析、几何模型设定过程中，选择笛卡尔坐标系，通过以上设置确定求解器类型为瞬态电磁求解器，并使模型坐标系统为关于Z轴旋转对称，具体如下图所示。图3-1BLDCRZ坐标系瞬态分析设置电机几何模型创建确定模型基本设置由于本文仿真分析所针对的模型为轴对称模型，因此执行Model/Unites命令，将模型单位设置为厘米，为后续模型几何参数设定进行单位统一规范。具体如下：图3-2模型单位设置绘制初级槽几何模型在模型单位规范设置的基础上，进行直线电机初级槽几何模型绘制，执行Draw/Line命令，进行直线绘制，选择绝对增量方式，直角坐标系，依据电机初级槽尺寸绘制线段模型。进一步，将上一步操作所绘制的线段进行全部选中，，选择X轴作为所选择的线段模型的径向，并通镜像复制操作，建立直线电机定子槽线段模型，执行Draw/Line命令，将直线电机定子槽底直线进行连接，选择所有定子槽直线，执行Modeler/Bolean/Unite将定子槽线段构成一体，所建立的初级槽模型如图3-3所示。图3-3初级槽模型执行Edit/Duplicate/Alongline命令，将所绘制的初级槽模型沿直线进行复制，在复制对话框中设置12，形成12槽初级结构，具体设置如图3-4所示。图3-4初级槽复制对话框创建初级冲片模型进一步，建立初级冲片两端及外圆处直线模型，执行Draw/Line命令，以相应坐标绘制线段，并通过直线将初级齿前端进行闭合闭和，通过执行ModelerBoolean/Unite命令将模型窗口中所绘制的直线段构成一体，初级冲片模型入图3-5所示。图3-5初级冲片模型绘制初级绕组几何模型由于直线电机模型较为复杂，在不影响磁场计算结果的基础上，进行相应的简化处理，通过执行Draw/Line命令，以相应的坐标点绘制线段并执行modeler/Surface/coverlinrs命令，生成初级绕组下层面域，将其命名为D_coil。选择新生成的初级绕组面域，将其进行直线复制，复制次数为12，生成其余的初级绕组面域。创建次级模型在初级模型的基础上，建立永磁体磁极模型，由于TPMLM次级模型在CylindricZ坐标下为矩形，因此通过执行Draw/Line命令，以相应坐标点绘制直线段，并执行modeler/Surface/coverlinrs命令，生成永磁体次级面域，将生成的次级面域命名为PM。选择永磁体，进行直线复制，复制次数为8，从而生成初级铁芯长度包含内的永磁体磁极模型。在此基础上，分别选择1#、2#永磁体及7#、8#永磁体，进行直线复制，生成初级铁芯长度上方及下方的永磁体磁极模型，以相应坐标点绘制线段，生成磁极轭面域，命名为secondary，如图3-6所示为TPMLM模型，由于次级较长，只给出包含部分次级的电机模型。图3-6TPMLM模型建立直线运动区域（band）模型在进行band设置过程中，考虑到直线电机的运动情况，对于直线电机运动过程中的静止模型部分无法通过band，因此，为使次级不脱离初级，本文所建模型band在磁极运动方向上对Z轴进行覆盖，其运动范围为140cm。通过执行直线绘制命令，以相应坐标点绘制直线段，并将所绘制直线段形成整体，从而生成band面域。如图3-7所示为包含band面域的直线电机模型。图3-7band模型建立电机外层面域模型由于所建立的电机模型为未封闭的连通域，因此，与要建立包含整个电机的外层面域，使得求解域连通，以相应的坐标点绘制直线段，并执行modeler/Surface/coverlinrs命令，生成永外层面域，命名为Outregion，如图3-8所示为直线电机有限元求解域几何模型。图3-8TPMLM有限元几何模型3.1.3材料定义及分配对于TPMLM瞬态电磁场分析，需要分别对各个构件材料属性进行指定，基本参数如表3-2所示。3-2TPMLM材料参数构件名称材料外层面域真空（Vacuum）band真空（Vacuum）绕组铜（Copper）定子/动子铁心10号钢永磁体NdFe30（径向充磁）以铁定子铁心Stator及永磁体材料参数设置为例。铁定子铁心Stator材料参数设定电机初级及定子铁心Stator材料为铁磁材料10号钢，打开材料管理器，选择AddMaterials进行材料添加，将添加材料命名为10_Steel，并咋相对磁导率的类型中选择非线性设定，将B-H曲线采用手动输入方式进行添加，并将10_Steel材料进行分配。图3-910号钢B-H曲线永磁体材料参数设定选取材料管理器材料NdFe30，将材料分别命名为PM_N和PM_S，磁极方向Xcomponent，分别设置1和-1.使得永磁体材料径向充磁，选择模型永磁磁极，用最下方永磁体一次进行分配，完成对永磁体材料参数设定。图3-10永磁体材料参数设定3.1.4激励源与边界条件定义及加载本文针对TPMLM进行电磁场分析时，研究其空载状态下电磁分布情况，在激励施加时，对三相绕组施加幅值为0的电流激励，实现空载状态分析。绕组分相按照旋转感应电机的分相原则对TPMLM进行分相，其对应绕组分相示意图如图3-11所示。图3-11绕组分相图绕组参数设置绕组分相结束后，各个绕组之间的相互关系已经确定，因此，需要对绕组参数进行进一步设置，通过绕组激励分配操作，实现绕组激励的设置与分配问题。本文选择单个线圈绕组匝数为200，并设置不同的激励方向，其中正向线圈以“P*”表示，负向线圈以“R*”表示，以A相具体设置为例，如图3-12所示。图3-12A相绕组激励设置对话框其中B、C相绕组的加载方式与A相绕组加载及命名方式一致。加载激励源完成绕组参数设置后，进一步将各个槽绕组归为相绕组，这这一步操作需要进行项目管理器添加绕组命令，其具体设置如图3-13所示。图3-13Winding设置对话框在此基础上，选择A相8个槽绕组，将其添加入WindingA中，完成A相电压源加载，B/C相绕组设置方法与A相相同。如图3-14所示为A相绕组设置图。图3-14A相绕组设置图加载边界条件对于直线电机二维电磁场分析问题，由于针对2-D实体进行分析，因此为了简化计算并提高计算精度，本文选择Balloon边界条件，在该边界条件下，加载约束为一维，因此需要选择模型外边界四条边进行边界条件施加，通过执行编辑命令，选择外边界边，进行Balloon边界条件分配，从而完成边界条件的加载。3.1.5运动选项设置在针对TPMLM二维模型进行瞬态电磁场分析时，由于分析对象为TPMLM正常运行状态下的电磁场分布变化情况，因此需要对TPMLM运动轴进行相关运动选项设置，相本文所设置运动类型为直线运动，运动平行于坐标轴Z，运动方向为负方向，具体设定如图3-15所示。图3-15直线运动设置对于运动信息设置，初始位置设置直线运动的初始位置角为0cm，双向位移分别为-40cm、+50cm，该设置可以保证磁极不脱离初级，机械设置运动速度为2.3m/s，具体设置如图3-16所示。图3-16运动数据及机械设置3.1.6求解选项设置对于ANSYSMxawell瞬态仿真而言，可以直接得到力矩与时间、位置之间的函数关系，因此，瞬态求解过程中可以忽略直线电机受力设置。网格剖分设置对于有限元仿真分析而言，网格剖分直接影响着计算结果，因此，本文对直线电机采用差异化网格划分，通过执行Maxwell2D/MeshOperations/Assign/Onselection命令对模型进行网格划分，针对band、定子绕组区域、定转子铁心、永磁体及外层区域分别设置网格剖分数值为0.2、0.25/0.3/0.2/0.4cm，模型网格划分结果如图3-17所示。图3-17直线电机剖分图求解设定本文重点分析直线电机电磁场分布情况，因此仅针对电磁场分析进行设置，其余设置为AnsysMaxwell内部默认设置。一般设置中，设置求解终止时间为0.1s，求解400步，在求解设置时选择场信息保存。具体求解设置如图3-18所示。图3-18求解设置分析自检在模型建立、网格剖分、求解设置的基础上进行仿真模型的自检分析，当所有设置正确后，每项钱出现对勾提示，如图3-19所示为自检及警告提示。图3-19自检及警告提示由图3-19可以看出，自检检验结果中激励与边界条件选项出现了警告，这主要是因为本文TPMLM二维电磁场模型在参数设置过程中，选用了ANSYSMaxwell自带材料库参数，由于求解设置为瞬态电磁场分析，因此其材料包含电磁参数，但本文分析忽略了电磁场中材料的涡流问题，因此出现该警告，但对TPMLM运行过程中的电磁场分布情况无影响。3.2求解及后处理在上述建模设置与检查的基础上，即可获得TPMLM电磁场仿真结果，可对直线电机运行时各个参数进行分析。3.2.1定位推力波动分析对TPMLM定位推力波动进行分析，选择软件2-D结果分析，在结果参数中选择力参数，创建瞬态结果矩形图，得到如图3-20所示圆筒型直线永磁电动机定位推力曲线。图3-20TPMLM定位推力曲线不难看出，电机在启动时最大电磁推力为46.13N，且启动时电磁推力存在较大的波动情况，随着电机运动时间的推移，电磁推力波动减小。分析其主要原因，TPMLM电磁推力波动的产生受电机齿槽、磁阻力及电机结构的边缘效应所影响，在启动时受到动子永磁体位置的影响，会产生较大的电磁推力波动。3.2.2绕组反电动势分析对TPMLM绕组反电动势进行分析，选择软件2-D结果分析，在结果参数中选择电动势参数，类别选择绕组，创建瞬态结果矩形图，完成绕组反电动势曲线设置，如图3-21为圆筒型直线永磁电动机A、B、C三相绕组反电动势曲线。图3-22TPMLM电机A、B、C三相相绕组反电动势曲线结合TPMLM空载反电动势仿真结果，不难看出，TPMLM空载运行时，绕组反电动势为平顶波，且具有较强的周期性，其反电动势最大值为373.5V，且A、B、C三相绕组反电动势基本一致。3.2.3绕组磁链分析对TPMLM绕组磁链进行分析，选择软件2-D结果分析，在结果参数中选择擦脸参数，类别选择绕组，创建瞬态结果矩形图，完成绕组磁链曲线设置，完成绕组磁链曲线设置，如图3-23为圆筒型直线永磁电动机A、B、C三相绕组磁链曲线，其横坐标为时间（单位ms），纵坐标为磁链（单位mH）。图3-23TPMLM电机A、B、C三相绕组磁链曲线由TPMLM磁链仿真结果可知，磁链仿真结果正弦变化，其磁链最大值为0.92mH，受到电机结构的影响，致使三相磁链存在一定的差异，但是差别较小。3.2.4磁力线分析在磁力线分析时，选择全部模型构件，将场图显示设置显示名称，物理量选择磁力线分布，场设置对话框如图3-24所示，图3-25所示为电机磁力线分布图。图3-24等势线分布场设置(a)t=0s（b）t=0.05s图3-25TPMLM不同时刻磁力线分布分布不难看出，不同时刻电机磁力线分布情况基本一致，受到初级铁磁材料的影响，电机初级齿部分磁力线分布较为密集，而初级端部由于电机结构所产生的端部效应，使得磁力线分布散乱，其中不通过运行时刻受到动子永磁材料的影响，磁力线数值存在差异，0.05s磁力线数值相较于运动初始时刻增加2.72倍。3.2.5磁密分布情况分析选择模型中所有物体，将场图显示设置物理量Quantity中选择磁通密度Mag_B，选择所有物体allobjects以图形显示电机磁通密度云图分布，如图3-26所示为磁密云图分布。t=0s（b）t=0.05s图3-26TPMLM不同时刻磁密分布如图3-26所示，为不同时刻磁密云图仿真结果，由图可以看出，不同运行时刻，磁密分布结果与磁力线分布结果基本一致，磁密主要集中于初级齿部分，且磁密最大值基本无变化，约为2.34T。结论圆筒型永磁直线电机由于其结构无需中间转换装置即可实现直线运动，在解决传统旋转电机体积大、效率低、精度低的问题的同时，具备直线速度不受限制、机械损耗较小、适用场合较多等优点，因此针对圆筒型直线电机的电磁分析具有重要意义。本文基于电磁场数值分析与有限元理论建立圆筒型永磁直线电机二维等比例模型，通过对模型的差异化网格划分和加激励求解，对模型进行二维瞬态场仿真分析，得到电机在空载运行条件下的电磁场分布情况，以及对应的定位推力，时域磁链，瞬态磁场分布情况。本文利用ANSYSMaxwell对圆筒型永磁直线电机进行二维瞬态场仿真计算，得到如下结论：（1）有限元软件AnsoftMaxwell对圆筒型永磁直线电机电磁场分布的仿真结果与理论分析相符，说明所用方法的正确性及建模的有效性。（2）与传统计算方法相比，使用AnsoftMaxwell软件对发电机电磁场进行分析，具有使用简、计算精度高、精确地三维分析、显示直观、立体性强等优点。（3）电机在启动时最大电磁推力为46.13N，且启动时电磁推力存在较大的波动情况，随着电机运动时间的推移，电磁推力波动减小。TPMLM空载运行时，绕组反电动势为平顶波，且具有较强的周期性，其反电动势最大值为373.5V，磁链正弦变化，最大值为0.92mH，受到电机结构的影响，致使三相磁链存在一定的差异，但是差别较小。不同时刻电机磁力线分布情况基本一致，受到初级铁磁材料的影响，电机初级齿部分磁力线分布较为密集，而初级端部由于电机结构所产生的端部效应，使得磁力线分布散乱磁密分布结果与磁力线分布结果基本一致，磁密主要集中于初级齿部分，且磁密最大值基本无变化，约为2.34T。（4）通过AnsysMaxwell软件对圆筒型永磁直线电机进行建模仿真，不仅能分析电机的运行中的瞬态磁场特性，也能直观的翻译电机运行中磁阻力矩、反电势及绕组磁链等的变化情况，以此来判断电机的运行性能，具有一定的工程使用价值。参考文献[1]汪旭东，焦留成，袁世鹰.用有限元法分析和计算直线感应电动机的电磁场[J].焦作矿业学院学报，2004,13(6):4351.[2]叶云岳．直线电机技术手册[M]．北京：机械工业出版社，2003：2~6．[3]蔡长春，徐志锋，潘晶.直线电机的发展和应用[[J].微电机，2003,36(131):47_50.[4]HellingerR，MnichP．LinearMotor-PoweredTransportation:History，PresentStatus，andFutureOutlook[J]．ProceedingsoftheIEEE，2009，97(11)：1892-1900．[5]宋书中，胡业发，周祖德．直线电机的发展及应用概况[J]．控制工程，2016，13(3)：199-201．[6]王会永，周