直线电机电磁场的有限元分析及其仿真的实现
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 ANSYS8.0Student: Chen Shen Advisor: Peiqiong YuDepartment of Electric EngineeringCollege of Information EngineeringZhejiang University of TechnologyAbstractThe 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 motorKeywordsPMLSM, 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。
某一个圆筒形直线电机瞬态磁场仿真总结报告
1.25
Cylindric_PM
Curve Info FluxLinkage(WindingA) Setup1 : Transient FluxLinkage(WindingB) Setup1 : Transient FluxLinkage(WindingC) Setup1 : Transient
二、设置材料属性及分配材料：Band面域及外层面 域为空气，绕组材料为铜，定子铁芯及转子铁心为 10号钢，永磁体材料为NdFe30。分配如图：
三、激励源及边界条件的定义和加载：对永磁 体进行磁极方向的确定，并采用径向充磁。绕 组线圈为200匝，加载电流源激励。加载的边 界条件为气球边界条件。 四、运动选项设置：直线电机瞬态磁场分析针 对电机直线运动时的磁场变化而言的，选中 Band面域，设置运动类型为直线运动，运动 平行与坐标轴Z，初始位置为0，为确保磁极不 脱离初级，双向位移分别设置为-40cm和 50cm。
250.00
InducedVoltage(WindingC) Setup1 : Transient
125.00
Y1 [V]
0.00
-125.00
-250.00
-375.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 Time [ms] 25.00 30.00 35.00 40.00
圆筒直线电机A、B、C三相绕组的磁链曲线：
Cylindric_PM
Curve Info
ANSOFT
Moving1.Force_z Setup1 : Transient
25.00
12.50
Moving1.Force_z [new37.50
-50.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 Time [ms] 25.00 30.00 35.00 40.00
u型无铁芯直线电机结构设计和电磁场仿真优化
U型无铁芯直线电机是一种新型的直线电机结构，由于它没有铁芯，因此具有较高的功率密度和较低的惯性。
U型无铁芯直线电机的结构设计和电磁场仿真优化是其研究和应用的重要方面。
本文将从以下几个方面对U型无铁芯直线电机的结构设计和电磁场仿真优化进行探讨。
1. U型无铁芯直线电机的结构设计U型无铁芯直线电机的结构设计包括定子、滑块、导轨等部分。
在定子方面，需要考虑绕组的布置、绕组的参数选择、绕组的绝缘等问题。
滑块的设计需要考虑其材料、表面处理、导向方式等因素。
导轨的设计则需要考虑其刚度、平整度、表面硬度等方面。
在结构设计过程中，需要充分考虑U型无铁芯直线电机的整体性能和稳定性，尽可能减小机械振动和噪声，提高运行精度和可靠性。
2. U型无铁芯直线电机的电磁场仿真优化电磁场仿真是U型无铁芯直线电机设计和优化的重要工具。
通过电磁场仿真，可以分析磁场分布、磁通密度、电磁力等参数，从而优化绕组的布置、绕组的参数、磁路的设计等方面。
电磁场仿真还可以帮助分析电机的热场分布，从而优化散热结构，提高电机的工作效率和稳定性。
电磁场仿真还可以分析电机的电磁噪声，帮助减小电机的噪声水平，提高其工作环境的舒适性。
3. 结构设计与电磁场仿真的协同优化U型无铁芯直线电机的结构设计和电磁场仿真是相互关联、相互影响的。
在结构设计阶段，应充分考虑电磁场仿真的需求，为仿真分析提供准确的几何模型和材料参数；在电磁场仿真阶段，应结合结构设计的要求，对仿真结果进行综合分析和优化设计。
通过结构设计与电磁场仿真的协同优化，可以有效提高U型无铁芯直线电机的性能指标，优化其结构和工作参数，提高其整体竞争力和市场应用前景。
U型无铁芯直线电机的结构设计和电磁场仿真优化是其研究和应用的重要方面。
本文从结构设计、电磁场仿真和协同优化等方面进行了探讨，希望对相关领域的研究人员和工程师有所启发和帮助。
在未来的工作中，还可以进一步扩展研究内容，探索更多创新性的方法和技术，推动U型无铁芯直线电机的发展和应用。
某一个圆筒形直线电机瞬态磁场仿真总结报告讲解
37.50 25.00 12.50
0.00 -12.50 -25.00 -37.50 -50.00
0.00
XY Plot 1
Cylindric_PM ANSOFT
Curve Info Moving1.Force_z Setup1 : Transient
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
六、求解设置：求解起始和终止时间分别为0和0.1 秒，步长为0.00025秒，求解400步，场信息保存时 间步长设置为0.0005秒，即每求解两步保存一次， 并添加到时见菜单，如图：
分析自检后进行求解计算，得到在 0.0015秒时的各 参量如下：
1.圆筒直线电机定位力曲线：
Moving1.Force_z [newton]
五、网格剖分设置， 选择Inside Selection 对整个模型内部进行 剖分，具体设置为： Length_Band=0.2cm Length_coil=0.25cm
Length_stator=0.3c m Length_PM=0.2cm
h_Outregion= 0.4cm 剖分效果如图：
InducedVoltage(WindingB) Setup1 : Transient
InducedVoltage(WindingC) Setup1 : Transient
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
40.00
Time [ms]
圆筒直线电机A、B、C三相绕组的磁链曲线：
利用Ansoft中的工程电磁场有限元 分析软件Mexwell对某一直线电机进 行仿真。所做的是二维瞬态磁场的分 析，基本步骤为：建模、定义材料属 性、分配材料、划分网格、设置加载、 边界条件、设定求解参数及后处理。
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。
基于Ansoft软件的牵引用直线感应电机的有限元分析
基于Ansoft软件的牵引用直线感应电机的有限元分析李霄;陶彩霞【摘要】直线感应电机已被广泛地应用于城市轨道交通系统.通过Ansoft Maxwell 2D软件,采用有限元方法对牵引用直线感应电机进行二维瞬态电磁场仿真.其模型的建立考虑了道岔处次级感应板不连续的情况,对推力、竖向力及气隙磁场等特性进行了分析,为牵引用直线感应电机设计的优化以及控制方法的改进提供了参考.【期刊名称】《城市轨道交通研究》【年(卷),期】2014(017)003【总页数】4页(P79-82)【关键词】直线感应电机;瞬态电磁场仿真;Ansoft软件;有限元分析【作者】李霄;陶彩霞【作者单位】兰州交通大学自动化与电气工程学院,730070,兰州;兰州交通大学自动化与电气工程学院,730070,兰州【正文语种】中文【中图分类】TM359.4城市的发展对新建城市轨道交通线路的制约条件越来越多，人们对轨道交通的要求也越来越高。
直线感应电机轨道系统比传统感应电机轨道交通系统拥有更小的曲线半径、更强的爬坡能力，易在复杂的城市环境中运行，已成为多种城市轨道交通系统中的一员。
广州地铁4号线、5号线和6号线，以及北京轨道交通首都国际机场线，都选择了这种城市轨道交通系统。
然而，对于直线感应电机而言，存在道岔处感应板不连续、气隙值大、边端效应等问题［1－3］。
本文利用 Ansoft软件的Transient模块，采用有限元方法对直线感应电机在起动、稳态运行及经过道岔处的动态性能进行了分析。
1 牵引用直线感应电机的原理及特性轨道交通一般采用短初级、复合感应板的单边型直线感应电机，其工作原理与旋转感应电机相同（如图1所示）。
初级绕组被安装在列车底部，次级感应板铺设在轨道中心。
由于初级绕组的开断，形成了两个边端。
为了确保运行的安全，初级与次级感应极之间的间隙远远大于旋转电动机的气隙，因此体现出了多种特性。
图1 短初级单边型直线感应电机直线感应电机不同于旋转感应电机的最大特点就是存在边端效应。
基于FLUX的直线电机建模及仿真分析
—பைடு நூலகம்
自动化 、 交通与民用 、 军事及其他行业都有广泛的 用 途 ¨ 。国 内对 直 线 电机 的 研 究 以 中 国科 学
院 电工研 究所 为最 早 ， 国内直 线 电机 的 产品很 少 ，
其 理论研 究还 不 完 善 ， 前都 是 基 于 假 设 的数 学 以
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ Ｌｉ ｅ ｒｍｏ ｏ ＦＬＵＸ ； ｏ ｌｎ ｄｓ ｎ ａ ｔｒ； ｍ ｄｅｉ ｇ
０ 引 言
随 着科技 的 发展 ， 色制 造 理 念 得 到 不 断 深 绿 入 与强 化 ， 直线 电机 即 是 制 造业 近 几十 年 才兴 起 的绿 色产品 之一 ， 它具 备许 多优点 ， 有广阔 的 应 具 用 前景 。其 中在物 流输送 系统 、 工业 设 备 、 息 与 信
—
ｏ
２ 直 线 电机 建 模
参数化 建模 可 以 使 电机 进 行 多种 结 构 参 数 、 电气参 数 以及 不 同物 理 材 料 下 的计 算 ， 而 可 以 从
建模 ， 关于 电磁 场 的分 析 还 不 全面 Ｊ 。只 有通 过 对场 的分析 ， 能较 准确地 计算 其特 性 ， 些年 有 才 近 限 元方法 得到 广 泛应 用 ， 它能 够 很 好 的解 决 电机 电磁 场 分 析 １ 。针 对 电机 的 仿 真 分 析 ，Ｌ Ｘ 司题 ＦＵ
ｓ ｉ ｉ ｏ ｔｉｅ ．Ｔ ｅｒｓ ｌ ｉ ｉｔ ｄ ｃ ｄ ｂ ｅ ｙ ｈ ｄ ａ ｔｇ ｓｏ ａａ ｔ ｃ ｍｏ ｅ ｙ ｕｔ ｓ ｂａｎ ｄ ｈ ｅｕｔ ｓ ｎｒ ｕ ｅ ｒ ｆ ，ｔｅ ａ ｖ ｎａ ｅ ｆｐ ｒｍｅｒ ｄ ｌａｅ ｏ ｉｌ ｉ
ｐｏ ｏ ｅ ｒ ｐ ｓ ｄ，ｉ ｃ ｎ ｂ ｓ ｄ ｔ ｉ ｃ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔ ｎ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｉ ｋ ｎ ｆｍｏｏ ｓ ｔ ａ ｅ ｕ ｅ ｏ ｄ ｒ ｔｄ ｖ ｌ ｐ ｎ ｄ ｒ ｓ ａ ｃ ｆｔ ｓ ｉ ｄ ｏ ｔｒ ． ｅ ａ ｈ
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。
- 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)。
1
bj r i + rj + ri + rm
1
1
bm r i + r j + ri + rm
1
1
bi
+ r j + r m ri + rj
1
1
bj
+ rj + rm r i + r j
1
1
bm
+ rj + rm r i+ rj
1
1
bi
+ r i + r m rj + rm
1
1
bj
+ r i + r m rj + rm
vU rn
= [p]
( 3)
其中, 单元刚度矩阵元素的计算格式为
kelh =
ve 6
1 yi +
yj +
yj
1 +
ym
+
1 ym +
yi
( bi bh + cich ) ( l = i, j ,
m; h= i, j, m)
[ M ] e = Vz 6
1
1
bi r i + r j + ri + rm
1
关键词: 直线电机; 电磁场; ANSYS; 有限元 中图分类号: TP154 11 文献标识码: A 文章编号: 1003 7241( 2005) 06 0070 03
Finit e- Elem e nt- M et ho d Analys is o f t he Electro m ag netic Fie ld o f Line ar M ot o rs
U= N j Uj + Nm Um =
1-
s sjm
Uj
+
s sjm
Um
式中 sjm j m边长; s 在单元边上, 从 j 点指向 m 点的任 一点 的直线坐标
故有
Techniques of Automation & Applications | 71
自动化技术与应用 2005 年第 24 卷第 6 期
( 2) 计算区域离散化 即将区域用节点和有 限元( 例如 平面区 域通常 为三角 形或 矩形单元) 表示。各个有限元的顶点由这些节点确定, 有限元之 间相互不重叠, 整个区域都被这些元完全覆盖, 节点和有限元都 按次序编号。每个单元都 对应于 一个激 励值和一 种材料 ( 可用 介电常数和磁导率表 示) ; ( 3) 插值基函数的选 择
SHANG Jin, GAO Jun_shan, MU Xiao_guang
( Harbin University of Science and T echnology, Harbin 150080, China) Abstract: This paper discusses the analysis of the electromagnetic field in the linear motor design. The method of calculating the electromagnetic field
电机中 电磁系统的边界 和内部 介质的分 界面形 状复杂, 在 求解区域内 又包含有铁磁介 质, 使 得恒定 磁场微 分方程 具有非 线性性质, 因此直接求解是很困难的, 只能用数值方法求得近似 解。在众多的数值方法中, 有限元 法以其 对场域 的灵活 适应性 及解法上的方便性而得到广泛得应用。在众多的通用和专用有 限元软件中, ANSYS 是最 为通 用有 效的 商 用有 限元 软 件之 一。
1
1
bm
+ r i + r m rj + rm
1
1
+
r i+ rj r i + r m
1 r i+ rj
1 ri + rm
[ Q]e = j 6
1 r i + rj
1
1
+
rj + rm r i+ rj
1 rj + r m
1 r i+ rm
1 rm + rj
1
1
+
r i + r m rj + rm
对于落在第二类边界 上的单元边jm, 磁位的线性插值函数为
1 引言
与旋转 电机一样, 直线 电机是 一种利 用电能 产生运动 的电 机, 它可以直接驱动机 械负载 作直线 运动。具有 不需要 中间传 动机构、不产生接触摩擦损耗等优点, 大大降低了传动系统的重 量, 减少了电能消耗, 因此可广泛的应用于普通工业、航 空航天、 军事及其它各种直线远动的场合。而直线电机的技术经济指标 与电磁机构 的特性有直接的 关系, 因此电 磁机构 的数值 计算日 益受到人们的重视, 这是由 于单从 磁路方 面的计 算不能 准确地 反映电磁机构的场量分布, 只有通过对场的分析, 才能较准确地 计算其特性。
( 4) 方程组的建立 将某个单元的局部激励矩阵和局部系数矩阵的各个元素相 加到整体激 励矩阵和整体系 数矩阵 中, 从 而形成 求解节 点势函 数值的矩阵方程。把由边界条件确定的节点势函数值代入矩阵 方程, 可以消减方程的阶数, 从而减少计算量; ( 5) 求解代数方程组 常用的 求解线性代数方 程的方 法有消去 法和受 代法等, 而 势函数在整个计算区域的分 布函数 可以用 插值的方 法来描 述。 对于一阶有限 元法来说, 采用 线性插值, 对高阶 有限元法 来说, 采用高阶插值; ( 6) 结果分析 求解电 势和磁势的分布 并不是 最后的目 的, 还需要根 据具 体要求找出所解问题的各种工程参数。这就需要一个由分布势 函数到各种工程参数的过程, 这一过程通常称 为解后处理过程。
3 直线电机中磁场的数值计算
为了简化分析, 对实际电机作出如下假设 : ( 1) 初级绕组中的电流沿 方向流动, 即 J = J , 且 J 不随
变化。
( 2) 初级齿的电导率 = 0。 ( 3) 初级绕组中不感应涡流。 ( 4) 所有的时间变量均按正弦规律变化。
( 5) 次级只有 2 方向的运动速度。即 V = VZK 根据 Maxwell 方程
自动化技术与应用 2005 年第 24 卷第 6 期
电气传动
Electrical Transmission
直线电机电磁场的有限元分析及其仿真的实现
商 进, 高俊山, 牟晓光
( 哈尔滨理工大学, 黑龙江 哈尔滨 150080)
摘 要: 本文主要讨论了直线电机设计中电机电磁场的 分析问题, 介绍了应用有限元法计算 电磁场的方 法, 详 细说明了 ANSYS 软件 在直线电机电磁场分析中的应用, 并绘制了磁场分布图。
v r
U n
的阶数为 Ne
1。
中。边界条件为磁力线平行边界条件。最后进行 运行计算。如 图 3。
4 直线电机电磁场有限元仿真的实现
在对图 1 所示的场域 进行有 限元数 值分析 时, 须将场 域离 散成许多单 元, 对场域 进行剖 分。本文采 用了有 限元分 析软件 ANSYS 来完 成上述过程。
ANSYS 软件是国际流行 的融 结构、力、热、流体、电 磁、声学 于一体的大 型通用有限 元分析软 件, ANSYS 可用来 分析电 磁领 域多方面的问题, 如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分 布、磁 力线、力等。可用来有效 的分析 诸如电力 发电机、变 压器、电动 机、传感器、磁悬浮装置等各类设备的有关问题。软件提供了丰 富的线性和 非线性材料的表 达式, 包括各 向同性 或各向 异性的 磁导率、介电常数、材料的 B- H 曲线和永磁体的退 磁曲线 。后 处理功能允许 用户显示磁 力线、磁通密度 并进行力、力矩、端电 压和其他参数的计算[2] 。
by using finite element method is introduced. The application of ANSYS software in the electromagnetic field of linear motor is also dis cussed. Key words: Linear motor; Electromagnetic field; ANSYS; Finite element method
H= J + J0
E= -
B t
B= 0
B= H 式中 H , J , J 0 , E, B , 分别 为磁场 强度, 外 加的 电流密 度, 涡流密度, 电场强度, 磁感应强度, 媒质的磁导率。
引入矢量磁位 A , 有
B= A
A= 0 涡流密度为
J0= (E+ V B) 式中 , V 分别为媒质的电导率, 媒质的运动 速度。
ANSYS 分析电磁场问题时, 必须从 3 个方面进行考虑: ( 1) 维数 在满足精度要 求和条 件下, 尽可能 按 2D 场处 理, 否则 3D 场的计算代价急剧上 升。 ( 2) 场的类型 静态、稳态、瞬态 : 若 场仅 由恒 定源产 生, 则看作静态场。若场的激发源( 电压或电流) 都遵循一定的交变 规律, 如 电压服从正 弦和余弦规 律变化, 可用稳 态场来处理, 该 场完全类似于电路中的 向量 法, 分析的结果均用有效 值、最大 值或平均值来显示。 瞬态 场是指场量随时间的变化完全是任 意的。 ( 3) 有限元方法 基于节点法或基于单元边法: 传统的有 限元法是基于节点法的, 即每一节点均有若干个自由度 , 对这些 节点的自由度列出有限元方程, 然后求解, 其直观性较好。但根 据 ANSYS 用户指南介绍, 对于 3D 磁场 , 在大 多数情况 下推荐使 用基于单元边的方法, 这将在理论上获得较高 的精度。 ANSYS 分析过程中包含 3 个步骤[ 3] : ( 1) 前处理。这一阶段包括定义单元类型, 建立分 析模型和 定义各部分材料的性质。单元类型的选择要依赖于所处理问题 的性质, 本文选 用 PLANE53 单 元, 四边 形 8 节 点或 6 节点 三角 形, 有四个自由度。输入各种材料的性能: 非导磁材料( 空 气、线 圈) 的磁导率, 初级和次级的磁化曲线, 然后将其一一赋 予模型。 本文中的 电 机 模型 采 用 ANSYS 提 供 的 用 户界 面 Workplane 绘 制, 对于一些较 复杂 的模型, 可 以由 Pro E、UG 或 AUTO CAD 绘 制然后读入。模型如图 2。 ( 2) 运行处理。这一阶段包括: 网格划分、设定电枢、加边界 条件、施加激励 和运 行计 算。在 本文 中, 我们 用 PLANE53 单元 划分网格。在定义完线圈实 常数后, 把电 流自由 度耦合 到线圈 72 | Techniques of Automation & Applications