电气工程毕业论文 永磁直线电机的有限元分析及计算
基于Halbach阵列的永磁直线电机的有限元分析
基于Halbach阵列的永磁直线电机的有限元分析作者：党常亮来源：《科技资讯》2013年第01期摘要：本文介绍了永磁体的一种新型排列方式—Halbach阵列。
将此阵列引入到永磁直线电机的设计中，利用有限元分析软件ANSYS进行了建模和仿真，绘制了磁场分布曲线，电磁力分布曲线以及气隙分布密度曲线等。
关键词：Halbaeh阵列永磁直线电机 ANSYS 有限元中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（a）-0003-03直线电机在原理上，与传统的旋转电机完全一样，它能将电能直接转换成直线运动的机械能，并且不需要任何中间转换机制。
随着科学技术的快速发展，直线电机在很多领域中都发挥着越来越重要的作用。
例如：在交通运输业，直线电机被广泛应用于磁悬浮列车中，时速可以达到每小时500 cm；在国防工业中，它可用来制造各种电磁炮，同时在火箭和导弹的发射领域也有着令人期待的应用前景。
永磁直线电机融合了永磁电机和直线电机的双重特点，与一般的直线电机相比，永磁直线电机的力能指标更高，重量更轻，体积更小，并且具有发电制动功能，因而其应用范围也更为广泛[1]。
Halbach 阵列是一种新型永磁体的排列方式，与传统的切向或径向式排列方式相比，有其独有的特点，若将其与永磁直线电机相结合，将会对电机的结构形式、工作原理及性能指标等产生重要的影响[2]。
本文利用有限元分析软件ANSYS对Halbach永磁直线电机进行了数值分析，得到磁场分布，电磁力分布，磁场强度分布等等，并对结果进行了比较和后处理。
1 Halbach电机的工作原理和特点1979年8月，美国伯克利实验室的物理学家K.Halbach发表了一片题为《Design of Permanent Multiple Magnets with Oriented Rare Earth Cobalt Material》的论文。
在这篇论文中，针对永磁体的构造，他提出了一种新颖的设计方法，即利用永久磁铁的分布来形成正弦磁场（见图1）。
永磁电动机磁路计算中主要系数有限元分析
而本文认为 , 当电机旋转时 , 极间漏磁会随定 、转 子相对位置的变化而有所差异 。在转子齿中心线对
准极间时 , 漏磁最少 ; 而在槽中心线对准极间时 ,
漏磁最多。因此 , 需分别计算这 2种不同位置下的
极间漏磁 , 然后取平均值作为极间漏磁系数 。
通过磁场有限元计算 , 可得场域中各点的矢
量磁位 , 计算出当转子齿中心线对准极间时的漏
图 5 端部磁场计算
在图 5 ( a)中 , 边 AB 为永磁直流电机中心段 面 , 边 B C为转子铁心内径 , 边 DC 为右端面 , 边 AD 为永磁体外径 , F点为电枢绕组的端点 , 边 AB 为第一类边界条件 , 边 B C、CD、AD 均为第二类 齐次边界条件 。
用矢量磁位求解 , 计算出的磁场分布如图 5 ( b)所示 。则端部漏磁系数可由式 (10)计算 :
模型 。当磁极中心线对准转子齿中心线时 , 端部
漏磁最少 , 气隙长度采用实际的气隙长度 ; 当磁
极中心线对 准转子 槽中 心线 时 , 端 部漏 磁最 多 ,
气隙长度则采用等效气隙长度 。而等效气隙长度
等于气隙系数乘上实际的气隙长度 。
根据计算出的各点的矢量磁位值 , 计算出端
Байду номын сангаас
部漏磁系数为 σ2′; 改气隙长度为等效气隙长度 ,
永磁电动机磁路计算中主要系数有限元分析 辛 懋 , 等
中图分类号 : TM351 文献标志码 : A 文章编号 : 100126848 (2009) 0720001204
永磁电动机磁路计算中主要系数有限元分析
辛 懋 , 韩 力 , 赵 斌 , 罗辞勇
(重庆大学 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 , 重庆 400044)
永磁直线电机电磁设计与有限元仿真分析
河南理工大学毕业设计（论文）任务书专业班级学生姓名一、题目二、起止日期年月日至年月日三、主要任务与要求指导教师职称学院领导签字（盖章）年月日毕业设计（论文）评阅人评语题目评阅人职称工作单位年月日毕业设计（论文）评定书题目指导教师职称年月日毕业设计（论文）答辩许可证答辩前向毕业设计答辩委员会（小组）提交了如下资料：1、设计（论文）说明共页2、图纸共张3、指导教师意见共页4、评阅人意见共页经审查，专业班同学所提交的毕业设计（论文），符合学校本科生毕业设计（论文）的相关规定，达到毕业设计（论文）任务书的要求，根据学校教学管理的有关规定，同意参加毕业设计（论文）答辩。
指导教师签字（盖章）年月日根据审查，准予参加答辩。
答辩委员会主席（组长）签字（盖章）年月日毕业设计（论文）答辩委员会（小组）决议学院专业班同学的毕业设计（论文）于年月日进行了答辩。
根据学生所提供的毕业设计（论文）材料、指导教师和评阅人意见以及在答辩过程中学生回答问题的情况，毕业设计（论文）答辩委员会（小组）做出如下决议。
一、毕业设计（论文）的总评语二、毕业设计（论文）的总评成绩：三、答辩组组长签名：答辩组成员签名：答辩委员会主席：签字（盖章）年月日目录摘要 (1)1 引言 (3)1.1 课题研究目的及意义 (3)1.2 直线电机的研究与发展现状 (5)1.2.1 直线电机的发展 (5)1.2.2 直线电机的应用 (6)1.2.3 直线电机控制技术的成熟 (7)1.3 本文研究的主要内容 (8)2 永磁直线同步电机的工作原理 (9)2.1 直线电机原理 (9)2.2 直线电机的分类 (9)2.2.1 按结构形式的分类 (9)2.2.2按功能用途的分类 (10)2.2.3按工作原理的分类 (11)2.3 直线电机的特点 (11)2.4 永磁同步直线电机的结构 (12)2.5 永磁同步直线电机的工作原理 (13)2.6 本章小结 (14)3 永磁同步直线电机的结构设计 (15)3.1 电机主要尺寸的确定 (15)3.2 电机气隙的选取 (17)3.3 电机永磁体尺寸的确定 (18)3.4 电机槽口的设计 (19)3.5 电机绕组设计 (19)3.6 电机结构设计 (20)3.7 本章小结 (21)4 永磁同步直线电机磁路计算 (21)4.1 磁路计算 (21)4.1.2 动子轭部磁路计算 (24)4.1.3 定子轭部磁路计算 (25)4.2 电路计算 (25)4.2.1线圈绕组匝数的设计 (26)4.2.2 线圈线径的选取 (28)4.2.3 电动机相电阻的计算 (29)4.3 电动机的效率及电动机的电磁损耗计算 (31)4.4 本章小结 (35)5 永磁直线电机的有限元分析基础 (36)5.1 永磁直线电机电磁场理论 (36)5.1.1 Maxwell 方程组 (36)5.1.2 电磁场分析方法 (39)5.2 有限元方法基础 (40)5.2.1 有限元法的应用特点 (40)5.2.2 边界条件 (41)5.2.3 边值问题 (42)5.3 有限元方法计算电磁场问题 (43)5.3.1 有限元法基本原理 (43)5.3.2 有限元法在电磁场中的应用 (44)5.3.3 时步有限元法在电机电磁场中的应用 (46)5.4 本章小结 (46)6 MagNet仿真分析 (47)6.1 永磁直线电机的性能参数 (48)6.2 永磁直线电机有限元模型的建立 (48)6.3 MagNet模型建立与分析 (49)6.4 电机输出推力 (51)6.5 永磁直线同步电机永磁体空载工作点及空载漏磁系数分析 (52)6.6 永磁直线电机反电势的分析 (53)6.7 有限元计算与路的设计计算的比较 (55)6.8 本章小结 (56)7 全文总结及展望 (58)7.2 研究展望 (58)参考文献 (60)摘要在传统的直线驱动场合，都是由旋转电机提供原动力，再由丝杠、丝杆、齿条等中间机构转换为直线运动。
永磁电机的有限元仿真分析
永磁电机的有限元仿真分析作者：姚光久来源：《电气传动自动化》2019年第01期摘要：本文利用Ansfot公司的Maxwell 2D瞬态模块，建立了永磁电机模型，加载激励源构成一个完整的仿真系统。
通过对永磁电机模型瞬态有限元分析，得到了电机五种状态磁力线与反电动势。
仿真结果精确地反映了电机运动过程，为永磁电机优化设计、减少转矩脉动、提高效率提供了理论依据。
关键词：永磁电机; 五种状态; 瞬态分析中图分类号： TM3 ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;文献标识码： AAbstract： the Ansfot company Maxwell 2D transient module， establish the permanent magnet motor model. Loading excitation source， constitute a complete system simulation system. By the permanent magnet motor model transient finite element analysis obtained motor five state lines and back EMF; ;Simulation results accurately reflect the motor， for permanent magnet motor optimization design， reduce the torque ripple and efficiency to provide a theoretical basis.Key words： permanent magnet motor; five state; transient analysis1 ;引言永磁電机是把永磁电机本体、电子技术和控制技术融为一体的电磁机械装置，早期用于军事和航天领域，如卫星姿态控制、导弹测试用转台等，稍后被应用于工业加工领域，用作高性能机床的驱动[1]。
永磁动圈式直线电机电磁力优化设计遗传算法有限元硕士论文
新型永磁动圈式直线电机的优化设计及性能分析【摘要】永磁动圈式直线电机是一种特种电机,它不需要任何中间机械转化装置,就可以将电信号直接转化为直线机械运动,并且具有体积小、重量轻、易于控制、灵敏度高、响应快、精确定位等优点,被广泛应用于液压系统和航天系统等领域。
永磁动圈式直线电机的性能衡量重要指标之一就是力特性。
本文就是以提高轴向充磁的永磁动圈式直线电机的力功比为目标,采用遗传算法对永磁动圈式直线电机进行优化设计,并结合电磁场有限元软件Ansoft Maxwell 2D和3D对优化后的电机进行静态和动态仿真,并以此作为对电机优化结果检验的依据。
本文所做的工作主要有以下几个方面：1.结合永磁动圈式直线电机的结构和工作原理,对永磁动圈式直线电机的磁路、磁导进行了分析,在此基础上推导了电机的气隙磁场和电磁推力的计算公式。
2.详细讨论电机优化模型中的的设计变量、约束条件、目标函数三要素以及实际优化中的自适应算子和终止条件等问题。
3.建立了永磁动圈式直线电机的优化模型,采用Visual Basic编程语言,利用自适应遗传算法对一台永磁动圈式直线电机的力功比进行了优化设计,得到了电机优化后的结构参数。
4.在Ansoft Maxwell 2D环境下对遗... 更多还原【Abstract】 Permanent magnet linear motor with moving coilis a special type motor. It can convert electrical signal into linear movement directly while does not need any intermediatemechamical conversion devices. It is widely applied in hydraulic and aerospace systems due to the advantage of small size, light weight, easy to control, fast action, accurate position and so on. Force is one of the important indicators to measure the property of permanent magnet linear motor with moving coil. The main content... 更多还原【关键词】永磁；动圈式直线电机；电磁力；优化设计；遗传算法；有限元；【Key words】permanent magnet；linear motor of moving coil；the force of the motor；optimized design；genetic algorithm；finite element method；摘要3-5ABSTRACT 5-6第一章绪论11-211.1 新型永磁动圈式直线电机概述11-161.1.1 永磁动圈式直线电机的结构与原理12-131.1.2 永磁动圈式直线电机的特点13-141.1.3 国内外发展概况14-151.1.4 国内外研究状况15-161.2 永磁动圈式直线电机在液压系统的应用16-181.2.1 液压系统简介16-171.2.2 电液比例技术的发展概况171.2.3 永磁动圈式直线电机在液压系统的应用17-181.3 论文研究的主要内容及意义18-201.4 本章小结20-21第二章新型永磁动圈式直线电机的气隙磁场和推力解析分析21-312.1 永磁电机磁路计算基础22-242.1.1 永磁材料的性能222.1.2 永磁电机磁路计算基础22-242.2 永磁动圈式直线电机电磁力计算24-302.2.1 永磁动圈式直线电机各部分磁导计算24-252.2.2 永磁体工作点计算25-272.2.3 永磁动圈式直线电机气隙磁密的计算27-292.2.4 永磁动圈式直线电机的电磁力计算29-302.3 本章小结30-31第三章基于遗传算法的永磁动圈式直线电机优化设计31-453.1 遗传算法简介31-373.1.1 遗传算法的产生与发展31-323.1.2 遗传算法的基本思想323.1.3 遗传算法的基本操作32-353.1.4 遗传算法的改进35-363.1.5 遗传算法的特点36-373.2 永磁动圈式直线电机的优化模型37-433.2.1 优化设计变量383.2.2 约束条件38-393.2.3 目标函数39-403.2.4 选择、交叉、变异算子40-423.2.5 终止条件42-433.3 永磁动圈式直线电机的优化设计结果43-443.4 本章小结44-45第四章基于Maxwell 2D的永磁动圈式直线电机的电磁场有限元分析45-614.1 有限元原理45-464.2 有限元软件Ansoft Maxwell介绍46-474.3 电机仿真模型的建立47-484.3.1 建立几何模型474.3.2 定义材料和加载激励源47-484.3.3 网格剖分484.4 静态特性的仿真48-584.5 动态特性的仿真58-604.6 本章小结60-61第五章基于Maxwell 3D的永磁动圈式直线电机的电磁场有限元分析61-695.1 基于三维磁场的有限元法615.2 电机三维仿真模型的建立61-635.2.1 建立几何模型61-625.2.2 定义材料和激励源625.2.3 网格剖分62-635.3 静态特性的仿真63-655.4 动态特性的仿真65-685.5 本章小结68-69第六章全文总结69-71参考文献出师表两汉：诸葛亮先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。
永磁同步电机的有限元模型
永磁同步电机的有限元模型
永磁同步电机的有限元模型是通过将电机分割成许多小的单元，
每个单元都可以用数学模型来描述电磁和机械特性。
具体而言，有限
元模型主要包含三个方面的内容：电磁方程、磁路方程和机械方程。
其中，电磁方程用于描述电机的电磁特性，磁路方程用于描述电机的
磁场分布，机械方程用于描述电机的机械特性。
电磁方程主要包括磁场方程、电场方程和运动方程。
其中，磁场
方程描述了磁场的生成和变化，电场方程描述了电势的分布和变化，
运动方程描述了电机的运动状态和电势之间的关系。
磁路方程主要针
对电机的磁路结构，通过磁通量连续性条件和磁动势平衡条件，求解
出电机中各个磁路单元的磁通量和磁动势分布。
机械方程则包括动力
学方程和转矩方程，用于描述电机的机械性能，包括加速、减速、转
矩和扭矩等物理量。
通过对这些方程进行数值求解，可以得到各个单元的电磁、磁路
和机械状态参数，进而得出整个电机的电磁、磁路和机械性能。
这样，就可以用有限元模型来模拟和分析永磁同步电机在不同工况下的性能
表现，如转速、转矩、效率和功率因数等，为电机的设计和优化提供
基础和参考。
永磁直线电机电磁设计与有限元仿真分析
永磁直线电机电磁设计与有限元仿真分析永磁直线电机是一种将电能转换为机械能的装置，具有高效率、高速度、高精度等优点，广泛应用于工业自动化、航空航天、医疗器械等领域。
电磁设计与有限元仿真分析是永磁直线电机设计过程中的重要环节，本文将从电磁设计和有限元仿真分析两个方面进行讨论。
首先，永磁直线电机的电磁设计是指通过合理的电磁参数设计来实现电机的性能要求。
电磁设计的关键参数包括磁极形状、磁极材料、磁极间隙、线圈结构等。
其中，磁极形状是影响电机磁场分布的重要因素，常见的磁极形状有平行矩形形、扇形等，根据具体的应用需求选择合适的磁极形状。
磁极材料的选择也是电磁设计的关键，常用的磁极材料包括稀土磁铁、硅钢等，不同的磁极材料具有不同的磁化特性和磁导率，需要根据具体的应用要求进行选择。
此外，磁极间隙和线圈结构的设计也会影响电机的性能，需要根据具体的应用需求进行合理设计。
其次，有限元仿真分析是指利用有限元方法对永磁直线电机进行电磁场仿真分析，以评估电机性能和优化电机设计。
有限元方法是一种数值计算方法，通过将电机的结构离散化为有限个元素，并建立数学模型来求解电磁场分布。
有限元仿真分析可以提供电磁场分布、磁场强度、磁力等参数的预测结果，帮助设计人员了解电机的工作原理和性能特点。
同时，有限元仿真还可以进行参数优化，通过改变电机的设计参数来优化电机性能，如提高功率密度、减小磁场漏磁等。
在进行有限元仿真分析时，需要根据电机的几何结构和材料特性建立有限元模型，并设置合适的网格尺寸和边界条件。
然后，利用有限元软件进行计算，得到电机的电磁场分布和相关参数。
根据仿真结果，可以评估电机的性能指标，如输出转矩、功率密度、效率等，并进行优化设计。
综上所述，永磁直线电机的电磁设计与有限元仿真分析是电机设计过程中的重要环节。
通过合理的电磁设计和有限元仿真分析，可以提高永磁直线电机的性能和效率，满足不同领域的应用需求。
永磁同步直线电机推力及垂直力的有限元计算
ISSN 100020054CN 1122223 N 清华大学学报(自然科学版)J T singhua U niv (Sci &Tech ),2000年第40卷第5期2000,V o l .40,N o .56 342023永磁同步直线电机推力及垂直力的有限元计算3李庆雷, 王先逵, 吴 丹, 刘成颖, 石忠东(清华大学精密仪器与机械学系,北京100084) 收稿日期:1999205218 作者简介:李庆雷(19722),男(汉),山东,博士 3基金项目:国家自然科学基金项目(59675066)文 摘:为精确计算永磁直线同步电机的推力和垂直力,同时减小计算量和积分路径对计算结果的影响,对M axw ell 张量法进行了改进和优化,以提高计算精度;指出沿积分方向通过单元中心线的积分路径为最佳,计算精度最高。
用Fo rtran 77编写了计算永磁同步直线电机推力和垂直力的后置处理模块,并利用该模块分析了永磁同步直线电机的静态推力和垂直力特性。
对此方法的可扩展性进行了讨论,指出此方法同样适合于其他类型直线电机的推力和垂直力计算。
关键词:永磁同步直线电机;推力;垂直力;有限元中图分类号:TM 359.4文献标识码:A文章编号:100020054(2000)0520020204 永磁同步直线电机具有大行程、高精度、高速度等突出优点,是构成直接驱动直线伺服系统的首选电机类型。
永磁同步直线电机一般采用钕铁硼等高性能永磁材料作为磁源,采用硅钢片等软磁材料聚合磁路,因此其磁路复杂,非线性强。
传统的磁路法、图解法等分析方法无法精确计算其电磁场,更无法精确计算其推力及垂直力特性。
为了精确计算永磁同步直线电机的电磁特性参数、输出力,优化电机结构尺寸,缩短开发周期,降低设计制造成本,应当发展以电磁场有限元计算为基础的永磁直线同步电机设计方法。
目前已有不少成熟的有限元电磁计算商业软件,这些软件都能计算出求解域中的电磁场分布。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
基于ANSYS8.0的永磁直线电机的有限元分
析及计算
学生姓名：指导教师：
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
- i -
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
- ii -
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。
- iii -
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ANSYS8.0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)
2.2.2MAXWELL张量法 (12)
2.3ANSYS有限元建模 (14)
2.4网格的划分和单元的选定 (17)
- iv -。