畢業(yè)設計61基于ANSYS8.0的永磁直線電機的有限元分析及計算

基于 ANSYS8.0的永磁直線電機的有限元分析及計算 學生姓名 ： 沈沉 指導 教師 ： 余佩瓊 浙江工業(yè)大學信息工程學院電氣工程系 摘 要 永磁直線電機是一種具有很高定位精度的新型電機。不同與其他勵磁的直線電機，它采用永磁體作為勵磁源。研究其磁場分布及力特性具有重要意義。相對于傳統(tǒng)的解析法，有限元數(shù)值分析可以縮短電機的設計周期及減少設計成本，可對直線電機的磁場及力得出精確的分析。 ANSYS8.0是一種在工程中廣泛使用的有限元分析軟件，采用該軟件中的電磁場分析功能對永磁直線電機的磁場進行有限元的分析和 計算，并在此分析的基礎上對永磁直線電機的力場做進一步的計算和分析，對永磁直線電機的設計具有重要的工程意義。 通過電磁場的有限元數(shù)值分析方法，利用通用有限元分析軟件 ANSYS8.0建立平板型單邊永磁直線電機的有限元模型，分析其 2維靜態(tài)磁場，得到初步的分析結果，并在這個分析的基礎上對永磁直線電機的力場進行了進一步的分析，計算直線電機的推力和法向力，結合永磁直線電機的靜態(tài)磁場，研究了永磁直線電機推力及法向力和電流變化的相互關系，對今后永磁直線電機的設計和研究具有一定的參考意義。 關鍵詞 永磁直線電機、有限元、 ANSYS、電磁場、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 謝 在本次畢業(yè)設計的過程中，首先要衷心感謝我的指導老師余佩瓊，在這一個學期的的畢業(yè) 設計期間給于我很多的指導和幫助，在我遇到困難的時候，給了我許多有用的建議和提示。本文的順利完成，離不開導師的關懷和悉心輔導，再次表示衷心的感謝。 同時，也感謝學校對畢業(yè)生學習工作的關心和支持，使我們能夠順利的進行畢業(yè)設計，感謝信息學院給我提供了良好的實驗室，感謝學校圖書館及其網(wǎng)絡資源，使我能查閱一些非常重要的參考資料。感謝我的朋友，同學對我支持，幫助。 最后感謝所有關心和支持畢業(yè)設計的學校領導和工作人員。 目 錄 中文摘要 .i 英文摘要 . ii 致謝 . iii 目錄 .iv 表列 . x 圖 列 . xii 第一章 緒論 . 1 1.1 直線電機的發(fā)展和應用 . 1 1.2 直線電機的分類 . 3 1.3 直線電機的工作原理 . 4 1.4 有限元分析及相關軟件的介紹 . 5 1.4.1有限元分析簡介 . 7 1.4.2通用有限元軟件 ANSYS8.0 . 7 1.5 課題的主要意義和論文的主要工作 . 7 1.5.1課題的主要意義 . 7 1.5.2論文的主要工作 . 8 第二章 ANSYS 8.0及其在電磁場有限元計算中的應用 . 9 2.1 電磁場的有限單元法 . 9 2.1.1 基本方程 . 9 2.1.2 位函數(shù)及邊界條件 . 9 2.1.3 有限元法的求 解 . 11 2.2 電磁力計算方法 . 12 2.2.1 虛功法 . 12 2.2.2 MAXWELL張量法 . 12 2.3 ANSYS有限元建模 . 14 2.4 網(wǎng)格的劃分 和單元的選定 . 17 2.4.1網(wǎng)格的劃分 . 17 2.4.2單元的選定 . 17 2.5 邊界條件的加載 . 18 第 3章 永磁直線電機的電磁場有限元仿真分析 . 20 3.1 永磁直線電機的磁場分析方法概述 . 20 3.2 永磁直線電機的磁場有限元仿 真模型 . 20 3.2.1永磁直線電機的結構 . 20 3.2.2永磁直線電機磁場有限元模型的建立 . 21 3.3 永磁直線電機的磁場分析 . 23 3.3.1永磁直線電機邊端效應 . 23 3.3.2永磁直線電機齒槽效應 . 24 3.3.3永磁直線電機磁場變化 . 24 第 4章 永磁直線電機的力場特性的有限元仿真分析 25 4.1 永磁直線電 機的矢量控制 . 25 4.2 推力 和 法向力與電流的大小的 分析 . 27 4.2.1推力 和法向力與 電流的大小 關系 . 27 4.2.2 推力系數(shù) . 28 4.3 推力與法向力與電機電流相位的 分析 . 28. 4.3.1推力與 法向力 電流相位 關系 . 28 4.4 推力與法向力的波動問題 . 28 4.4.1永磁電機空載時 的輸出力 . .29 4.4.2永磁電機額定電流下 的輸出力 . 31 第 五 章 結論與展望 . 34 參考文獻 . 35 附錄 ANSYS8.0使用說明 . 36 表列 表 2 1 材料特性 . 14 表 2 2 可選擇單元類型 . 17 表 3 1 永磁直線電機參數(shù) . 21 表 4 1 推力和法向力隨電流 大小變化 數(shù)據(jù) . 28 表 4 2 推力和法向力隨電流相位變化數(shù)據(jù) . 30 表 4 3 空載時推力和法向力波動變化數(shù)據(jù) . 31 表 4 4 額定電流下推力和法向力波動變化 . 32 圖 列 圖 11 直線電機按工作原理的分類 . 3 圖 1 2 由旋轉電機演變?yōu)橹本€電機的過程 . 4 圖 1 3 直線電機的工作原理 . 4 圖 1 4 有限元模型 圖 . 4 圖 1 5 最大切應力 等應力線圖 . 5 圖 2 1 永磁直線電機的 2-D實體 . 15 圖 2 2 永磁直線電機的 3-D實體模型 . 15 圖 2 3 定義完材料屬性后的實體模型 . 16 圖 2 4 永磁直線電機的網(wǎng)絡劃分 . 17 圖 2 5 加載力標志和邊界條件 . 17 圖 2 6 PMLSM的電流密度 . 17 圖 2 7 PLANE53 . 18 圖 2 8 邊界條件示意圖 . 19 圖 3 1 平板永磁直線電機的結構 . 21 圖 3 2 PMLSM繞組接線圈 . 21 圖 3 3 永磁直線電機的有限元模型 . 21 圖 3 4 鑄鐵的 B-H曲線 . 22 圖 3 5 初級鐵芯的 B-H曲線 . 22 圖 3 6 網(wǎng)格分布（局部） . 22 圖 3 7 永磁直線電機磁力線圖 . 22 圖 3 8 永磁直線電機磁通密度矢量圖 . 22 圖 3 9 永磁直線電機磁場強度矢量圖 . 22 圖 3 10 永磁電機左邊端效應 . 23 圖 3 11 永磁電機右邊端效應 . 23 圖 3 12 永磁體單獨作用的磁力線圖 . 23 圖 3 13 額定電流單獨作用下的磁力線圖 . 23 圖 3 14 合成磁力線圖 . 23 圖 4 1 矢量變換 . 26 圖 4 2 推力隨電流大小變化曲線 . 27 圖 4 3 法向力隨電流大小變化曲線 . 27 圖 4 4 推力隨電流相位變化曲線圖 . 28 圖 4 5 法向力隨電流相位變化曲線 . 28 圖 4 6 初級移動的過程示意圖 . 28 圖 4 7 推力波動 . 29 圖 4 8 法向力波動 . 29 圖 4 9 額定電流下推力波動 . 31 圖 4 10 額定電流下法向力波動 . 32 第一章 緒論 1.1直線電機的發(fā)展與應用 直線電機是一種將電能直接轉化成直線運動機械能而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。在結構上 , 直線電機相當于旋轉電機在頂上沿徑向剖開并將其圓周拉直 , 工作原理同旋轉電機相似。因為它不需要 任何中間環(huán)節(jié)就可直接驅動被控制對象產生直線軌跡運動 , 所以我們把直線電機的傳動方式稱為 “零傳動 ”。 由于采用了 “零傳動 ”, 從而較傳統(tǒng)的 “旋轉電機 + 機械變換環(huán)節(jié) ”的傳動方式有明顯的優(yōu)勢 , 如結構簡單、無接觸、無磨損、噪聲低、速度快、精度高等。近年 , 隨著工業(yè)加工質量和運動定位精度等要求的提高 , 直線電機受到了廣泛的關注。在國外 ,直線電機驅動技術已進入工業(yè)化階段 , 但國內尚處于起步階段。 近幾年 , 直線電機研究開發(fā)很快 , 其結構設計、控制理論和電機原理等方面都有了很大的進展 , 并已應用到國民經(jīng)濟的多個領域 , 很多機械的直線運動均由直線電機完成，它是一種很有發(fā)展前途的新型電機。 直線電機的歷史最早可追溯到 1840 年惠斯登提出和制作雛形但不成功的直線電機 , 至今已有 160 多年。其發(fā)展大致可分為三個階段 : 探索實驗階段 (18401955)、開發(fā)應用階段 (19561970) 和實用商品化階段 (1971)。 1探索實驗階段 (18401955) 從 1840 年到 1955 年的 116 年期間，直線電機從設想到實驗到部分實驗性應用，經(jīng)歷了一個不斷探索，屢遭失敗的過程。由于當時的制造技術，工程材料以及控制技術的現(xiàn)狀，在經(jīng) 過斷斷續(xù)續(xù) 20 多年的頑強努力后，最終卻未能獲得成功。 2開發(fā)應用階段 (19561970) 自 1955 年以來，直線電機進入了全面的開發(fā)階段。這個時期，它可以說是直線電機的“文藝復興時期 ”。特別是該時期的控制技術和材料的驚人發(fā)展，更加助長了這種勢頭。這種增長一方面固然是控制技術和材料促進了這種勢頭，另一方面，前些年的理論探討和實驗研究工作作為多年的技術貯備起到了重要的作用。 3實用商品化階段 (1971) 從 1971 年始到目前的這個階段，直線電機終于進入了獨立的應用時代，在這個時代，各類直線電機的應用得到 了迅速的推廣，制成了許多具有實用價值的裝置和產品。 目前，直線電機在世界各國的應用大致可分為五個方面，即物流系統(tǒng)、工業(yè)設備、信息與自動化系統(tǒng)、交通與民用、軍事及其它。 1.2 直線電機的分類 根據(jù)不同的標準 ,直線電機有不同的分類型式。直線電機按其結構型式主要可分為扁平型、圓筒型、圓盤型和圓弧型四種。 扁平型直線電機是一種扁平的矩形結構的直線電機，它有單邊型和雙邊型之分。每種型式下又分別有短初級長次級或長初級短次級。圓筒型直線電機為一種外形如旋轉電機的圓柱形的直線電機。這種直線電機一般均為短初級長次級 型式。在需要的場合，我們還將這種電機做成既有旋轉運動又有直線運動的旋轉直線電機，至于旋轉直線的運動體既可以是初級，也可以是次級。圓盤型直線電機，即該電機的次級是一個圓盤。其初級可以是單邊型也可以是雙邊型。圓弧型電機，它的運動型式是旋轉運動，且與普通旋轉電機非常接近，然而它與旋轉電機相比也是具有如圓盤型直線電機那樣的優(yōu)點，圓弧型與圓盤型的主要區(qū)別，在于次級的型式和初級對次級的驅動點有所不同。 直線電機，特別是直線感應電動機，按其功能用途主要可分為力電機，功電機和能電機。 1力電機 力電機是指單位輸入功率所能 產生的推力，或單位體積所能產生的推力，主要用于在靜止物體上或低速的設備上施加一定的推力的直線電機。它以短時運行、低速運行為主，例如閥門的開閉、門窗的移動、機械手的操作、推車等等。這種電機效率效低，甚至為零 (如對靜止物體上施