畢業(yè)設(shè)計(jì)60基于ANSYS8.0的永磁直線電動(dòng)機(jī)的有限元分析

基于 ANSYS8.0 的永磁直線電動(dòng)機(jī)的有限元分析 沈沉 （浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院 電氣 011） 1 引言 隨著 直線電 動(dòng) 機(jī) 近年來(lái) 的迅速 發(fā)展和廣泛 應(yīng)用以及永磁材料性能的不斷提高和完善， 永磁直線電 動(dòng) 機(jī)的發(fā)展也得到了更多的關(guān)注。與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，直線電 動(dòng) 機(jī)最主要的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)在于它可以把電磁能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng) 的機(jī)械能 ，而無(wú)需使用旋轉(zhuǎn)到直線運(yùn)動(dòng)的中間 轉(zhuǎn)換裝置。 永磁 電 動(dòng) 機(jī)采用永磁勵(lì)磁，省去了勵(lì)磁繞組和勵(lì)磁損耗 因而具有工藝簡(jiǎn)單，體積小， 輕型化 ， 效率高等特點(diǎn) 。永磁直線 電動(dòng)機(jī)兼具以上的兩種電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，因而 廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，機(jī)器人技術(shù)等許多領(lǐng)域 。 為了滿足工程領(lǐng)域?qū)π滦?高性能 直線電 動(dòng) 機(jī) 不斷增加 的需求 ， 許多新的技術(shù)和設(shè)計(jì)方法開(kāi)始在直線電動(dòng)機(jī)中得到應(yīng)用。 其中 有限元分析方法作為一種可靠的工具在直線電 動(dòng) 機(jī) 設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，使得工程人員 能夠 更深入的了解 設(shè)計(jì)對(duì)象 的運(yùn)行情況 。 并且 和計(jì)算機(jī)輔助 設(shè)計(jì) 相結(jié)合，利用 通用有限元分析軟件 ANSYS 對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有限元仿真建模，讓設(shè)計(jì)變的更加直觀和簡(jiǎn)便 。 2 目前 永磁 直線電動(dòng)機(jī) 發(fā)展及 有待解決的 問(wèn)題 永磁 直線電動(dòng)機(jī) 概念 直線電動(dòng)機(jī) 的工作原理和旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)沒(méi)有太大的區(qū)別， 我們可以把它看 做 是 旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)從 表 面切至 軸中心 然 后 攤平 。 圖 2.1 中顯示了這一 過(guò)程。 圖 2.1 旋轉(zhuǎn)電機(jī)展開(kāi)得到直線電動(dòng)機(jī)的過(guò)程 簡(jiǎn)單的說(shuō) ， 永磁 直線電動(dòng)機(jī)就是永磁激勵(lì)的直線電動(dòng)機(jī)，它與其他直線電動(dòng)機(jī)的區(qū)別在于勵(lì)磁部分采用永磁材料。 這種電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)是在于結(jié)合了直線電動(dòng)機(jī)和永磁電動(dòng)機(jī)兩者的特點(diǎn)。 它除了具有一般直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，制動(dòng)性好等特點(diǎn)外，還具有永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單 ，重量輕，轉(zhuǎn)矩和功率密度高等特點(diǎn)。 永磁 直線電動(dòng)機(jī) 的最新應(yīng)用舉例 目前 永磁 直線電動(dòng)機(jī)的最新發(fā)展 之一 是 隧道致動(dòng)器 .日立制作所下屬的日立研究所日前利用定位精度 非常高的直線驅(qū)動(dòng)裝置（隧道致動(dòng)器， Tunnel Actuator） ,在同類(lèi)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)了全球最高的 40G 加速度（重力加速度的 40 倍）。隧道致動(dòng)器比原來(lái)的線性馬達(dá)（ Linear motor）更小，成本更低。今后將會(huì)有助于提高半導(dǎo)體制造設(shè)備及小型精密機(jī)床等設(shè)備的生產(chǎn)效率。該裝置力爭(zhēng) 1 2 年后達(dá)到實(shí)用水平。 過(guò)去，做為高速直線驅(qū)動(dòng)裝置使用的線性馬達(dá)，從原理上講裝置體積龐大，而且必須要有很高的制作精度，因此存在生產(chǎn)成本高的問(wèn)題。在這種情況下，人們一直希望能夠開(kāi)發(fā)出一種體積小且成本低、能夠取代線性馬達(dá)的直線驅(qū)動(dòng) 裝置。 日立設(shè)計(jì)的隧道致動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組裝方便?？蓽p輕由永久磁鐵制成的原動(dòng)機(jī)重量。此次通過(guò)減輕原動(dòng)機(jī)重量，以及開(kāi)發(fā)可承受加減速劇變的高速高精度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了世界上最高的加速度（ 40G），相當(dāng)于線性馬達(dá)的 2 4 倍。 通過(guò)將原動(dòng)機(jī)配置于上部磁極沖片和下部磁極沖片之間，抵消了磁極引力。由此便簡(jiǎn)化了磁極縫隙的支撐結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了小型化設(shè)計(jì)。由于是磁通量在上下磁極沖片之間進(jìn)行傳導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，因此即使采用多極結(jié)構(gòu)，也不會(huì)泄漏磁通量，從而就可確保巨大的推動(dòng)力。作為原動(dòng)機(jī)上的永久磁鐵，只需交替使用 N 極和 S 極即可輕 松形成。與原來(lái)的線性馬達(dá)不同，由于不需粘在鐵板上，因此重量不到原來(lái)的 1/5。即使采用多極結(jié)構(gòu)，每極也只需要一個(gè)電樞繞組即可，因此就使得占生產(chǎn)成本一多半的繞線作業(yè)與導(dǎo)線處理更得非常簡(jiǎn)單，從而就能降低成本 最近，德國(guó)的 Brckl S.等人開(kāi)展了將直線電機(jī)用于超精加工機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究工作，他們?cè)谕慌_(tái)亞微米車(chē)床上分別裝上永磁直線同步電機(jī)（ PMLSM： Permanent Magnet Linear Synchronous Motors）和帶精密滾珠絲杠的永磁同步旋轉(zhuǎn) 伺服電機(jī) 進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。 他們的研究結(jié)果 表明直線電機(jī)非常適合超精密加工機(jī)床。 最近，浙江大學(xué)研制了一種由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的沖壓機(jī)。日本 AIDA 公司開(kāi)發(fā)了采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的小型精密零件加工用 L-SF型新型成形壓力機(jī)。日本山田 DOBBY公司與 FANUC公司協(xié)作共同實(shí)施智能型高精度直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)實(shí)用化研究。該壓力機(jī)使用了示教式數(shù)控自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)，在實(shí)際加工時(shí)，下死點(diǎn)精度可控制在 5 m 之內(nèi)。 永磁 直線電動(dòng)機(jī) 永磁材料舉例 稀土永磁材料是一種高性能功能材料，這種材料是許多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。在電機(jī)中用永磁體可使電機(jī)產(chǎn)品輕型化、高性能化，與電力電子技術(shù)結(jié)合， 制成速度、轉(zhuǎn)矩可調(diào)的機(jī)一體化產(chǎn)品。 采用稀土永磁電機(jī)可以明顯減輕電機(jī)的重量，如 10kW 普通發(fā)電機(jī)，重量為 220kg，而稀永磁發(fā)電機(jī)為 92k8。德國(guó)西門(mén)子研制的 1095kW、 230rpm 六級(jí)永磁同步電動(dòng)機(jī)，用于艦船的進(jìn)，與過(guò)去使用的直流電動(dòng)機(jī)相比，體積減少 60左右，總損耗降低 20。 稀土永磁電機(jī)高效節(jié)能，平均節(jié)電率高達(dá) 10，某些專(zhuān)用電機(jī)節(jié)電率高達(dá) 15 20，且價(jià)格合理。我國(guó)開(kāi)發(fā)的高效節(jié)能稀土永磁電動(dòng)機(jī)，在力能指標(biāo)及價(jià)格方面，國(guó)外高效電機(jī)不能與之相比，在國(guó)際市場(chǎng)有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。世界 各國(guó)都把提高電動(dòng)機(jī)的效率、節(jié)約電能作一件大事來(lái)抓，特別是美國(guó)， 1992 年美國(guó)前總統(tǒng)布什簽署批準(zhǔn)了能源政策法，按該法令自199710 月 24 日之后，美國(guó)大部分一般效率電動(dòng)機(jī)將不再生產(chǎn)，只允許生產(chǎn)高效率電動(dòng)機(jī)，2002 年 10 月后將生產(chǎn)更高效率電動(dòng)機(jī)， 2007 年 10 月后將生產(chǎn)技術(shù)上達(dá)到極限、經(jīng)濟(jì)上可行最高效率電動(dòng)機(jī)。 近年來(lái)，隨著稀土永磁材料性能的不斷提高，特別是釹鐵硼永磁材料的熱穩(wěn)定性、耐腐性的改善和價(jià)格的逐步降低以及電力電子器件技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，稀土永磁電機(jī)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)進(jìn)入了一個(gè)新階段，一方面，原有開(kāi) 發(fā)的成果在國(guó)防、工農(nóng)業(yè)和日常生活等方面得到廣泛的用；另一方面，正向大功率化 (高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩 )、高功能化和微型化方向發(fā)展，擴(kuò)展新的電品種和應(yīng)用領(lǐng)域。目前，稀土永磁電機(jī)的單臺(tái)容量已超過(guò) 1000kW，最高轉(zhuǎn)速已超過(guò)300000rpm，低轉(zhuǎn)速低于 0.01rplh，最小電機(jī)外徑只有 0.8mm，長(zhǎng) 1.2mm。在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)、速同步電動(dòng)機(jī)等特種電機(jī)中增加釹鐵硼永磁勵(lì)磁后，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性都有明顯改進(jìn)與提高。 永磁 直線電動(dòng)機(jī) 有待解決的問(wèn)題 永磁直線 電動(dòng)機(jī)也存在一些問(wèn)題：首先作為一種直線電動(dòng)機(jī)，就要要 考慮它的端部效應(yīng)的影響。其次它采用了永磁材料作為勵(lì)磁， 目前還有一些技術(shù)問(wèn)題沒(méi) 有完全 解決，最大的一個(gè)是 AIFeB；第二永磁電機(jī)還有非常強(qiáng)的渦流 ,當(dāng)溫度達(dá) 150 以上時(shí) , 永磁電機(jī)的永久性去磁將導(dǎo)致整個(gè)電機(jī)完全報(bào)廢。 這些是永磁直線電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)解決的因素 直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)單元的研究開(kāi)發(fā)目標(biāo)是提高電機(jī)性能，滿足應(yīng)用要求。直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)單元的主要性能指標(biāo)主要包括速度、加速度、推力及其波動(dòng)、定位精度、重復(fù)定位精度、機(jī)械特性（速度 推力特性）、瞬態(tài)性能（速度響應(yīng)）、速度穩(wěn)定性和熱特性等。 3課題的研究 對(duì)象， 方向 和意義 隨著 高速加工機(jī)床對(duì)新型高速、高精密、大行程、大推力的進(jìn)給系統(tǒng)的強(qiáng)烈需求。傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床直線進(jìn)給系統(tǒng)一直沿用“旋轉(zhuǎn)電機(jī) +滾珠絲杠”的傳動(dòng)方式，現(xiàn)已不能滿足高速加工的要求。而作為新型電機(jī)的永磁直線電機(jī)在這方面有著非常大的優(yōu)勢(shì)和潛力。 因而永磁直線電機(jī)的研究有著很重要的現(xiàn)實(shí)意義，也有著很大的學(xué)術(shù)價(jià)值。課題將以目前主流的永磁直線電機(jī)作為研究對(duì)象。 然而即使這樣，因?yàn)橛来胖本€電機(jī)的種類(lèi)繁多，要想全面的研究，不是 一個(gè)大四的學(xué)生所能辦到的， 所以 研究的重點(diǎn)決定放在永磁直線電機(jī)中最有潛力的永磁直線同步電 機(jī)中。 考慮到永磁直線電機(jī)理論的匱乏與研究方法的不足， 在這方面還沒(méi)有系統(tǒng)的理論和設(shè)計(jì)方法，目前在這方面的研究還都比較分散和單一，而且有些還沒(méi)有深入的研究。這會(huì)影響直線電機(jī)的反展和應(yīng)用。 因此，課題定位為永磁直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論研究，重點(diǎn)包括電磁場(chǎng)特性、穩(wěn)態(tài)特性、力場(chǎng)特性以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁參數(shù)、力特性的影響、推力波動(dòng)特性（邊端效應(yīng)、齒槽效應(yīng)）等。本課題的研究將為永磁直線電機(jī)的分析與設(shè)計(jì)、制造與選用建立理論基礎(chǔ)，為永磁直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制奠定基礎(chǔ)。因此，本課題的研究在永磁直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造 與應(yīng)用中具有“基礎(chǔ)”地位作用。 鑒于永磁材料在這類(lèi)電機(jī)發(fā)展中起到的重要作用，課題會(huì)涉及一下這方面的內(nèi)容，但不會(huì)很多。 4 課題采用的 方法 和軟件的介紹 本次課題 將采用有限元分析方法對(duì)永磁直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析 。 所用到的軟件為通用有限元軟件 ANSYS，下面是簡(jiǎn)單的介紹。 有限元 分析 有限元分析（ FEA， Finite Element Analysis）的基本概念是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解。它將求解域看成是由許多稱(chēng)為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的 (較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的 滿足條件 (如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問(wèn)題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能夠表示實(shí)際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個(gè)世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形（有限個(gè)直線單元）逼近圓來(lái)求得圓的周長(zhǎng)，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱(chēng)為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并由于其方便性、實(shí)用性和有效性而引 起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過(guò)短短數(shù)十年的努力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速?gòu)慕Y(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。 有限元方法與其他求解邊值問(wèn)題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對(duì)小的子域中。 20 世紀(jì) 60 年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算有限元概念的克拉夫（ Clough）教授形象地將其描繪為：“有限元法 =Rayleigh Ritz 法分片函數(shù)”，即有限元法是 Rayleigh Ritz 法的一種局部化情況。不同于求解（往 往是困難的）滿足整個(gè)定義域邊界條件的允許函數(shù)的Rayleigh Ritz 法，有限元法將函數(shù)定義在簡(jiǎn)單幾何形狀（如二維問(wèn)題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)），且不考慮整個(gè)定義域的復(fù)雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，有限元分析可分成三個(gè)階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡(jiǎn)便提取信息，了解計(jì)算結(jié)果。 通用有限元分析軟件 ANSYS ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元 分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó) ANSYS 開(kāi)發(fā)，它能與多數(shù) CAD 軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I DEAS, AutoCAD 等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí) CAD 工具之一。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析 以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了 100 種以上的單元類(lèi)型，用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。 這次設(shè)計(jì)將用它來(lái)進(jìn)行永磁電動(dòng)機(jī)的仿真建模及有限元分析。 4 設(shè)計(jì)思路及方案 電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)的分析計(jì)算是電機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。它直接影響電機(jī)的性能和指標(biāo)。 由于有限元方法能夠用 來(lái)對(duì)復(fù)雜的情況進(jìn)行精確的分析， 本次課題，我們將采用有限元方法對(duì)永磁直流電動(dòng)機(jī) 的電磁場(chǎng)進(jìn)行 分析 和設(shè)計(jì) ， 對(duì)如何降低端部效應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在這個(gè)基礎(chǔ)上對(duì)永磁直線電機(jī)其他的缺陷進(jìn)行深入的研究。這里 我們 準(zhǔn)備了兩份方案， 先完成第一個(gè)方案，然后有時(shí)間再進(jìn)行第二個(gè)方案的實(shí)驗(yàn) 方案一 2D 首先我們通過(guò) ANSYS 在計(jì)算機(jī)上建立一個(gè)與實(shí)際電動(dòng)機(jī)相應(yīng)的 2 維 有限元模型， 將原始電動(dòng)機(jī)得到規(guī)格數(shù)據(jù)賦予這個(gè)模型。 然后在計(jì)算機(jī)上對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行仿真運(yùn)行。在