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。这样的设置，不仅在中间传动过程中消耗了大量的能量，而且摩擦产生的噪声也非常明显，同时也给系统的维护工作带来了麻烦。

直线电机的出现可以使上述问题得到解决，由于具备直接将电能转化为直线运动的能力，直线电机已经在机床驱动、集成电路组装等场合逐渐取代了传统的旋转电机的位置。

与旋转电机类似，按工作原理的不同，直线电机也有着各种类型，应用较多的是直线步进电机、直线同步电机和直线感应电机。其中直线步进电机更多的是应用在需要精确定位的场合，比如半导体工业；后两者则被应用在需要连续和大推力的场合，比如机床。而直线同步电机，尤其是永磁直线同步电机，凭借更大的单位面积推力、更高的效率等优点受到了更多的青睐，与此同时，由于没有了励磁绕组，电机的整个结构也得以简化。另一方面，我国丰富的稀土资源也为这种电机的发展提供了广泛空间。

在完成永磁同步直线电机电机设计任务的基础上，本文利用加拿大Infolytica公司出品的电磁场有限元分析软件MagNet对电机的运行进行了仿真分析，并得到了电机的额定输出推力曲线和反电动势曲线。

关键词：永磁直线；设计；有限元； MagNet；仿真分析

The design and simulation of magnetic linear motor

In conventional linear driving applications, original force is generated from rotary motor, so transmission devices is need, which causes large sum of energy loss, friction noise and brings out complicated maintenances.

The introduction of linear motor targets at these problems, being able to directly convert electrical energy to linear moving,linear motor has gradually replaced rotary motor in linear driving applications such as lathe driving and integrated circuit assembly.

Similar to rotary motor, linear motor can be divided into various types according to working principles. Among these different types, linear stepping motor,linear synchronous motor and linear induction motor receive most focus, usually linear stepping motor is utilized in applications demand high precision, such as semi-conductor industry, while the later two often go with large and continuous thrust applications,such as lathe.Linear synchronous motor, especially permanent magnet ones, receive more favor for larger thrust per area unit and higher efficiency,and the construction of motor can be simplified due to the absence of exciting armature.On the other hand, abundant lanthanon in our country provides vast space for this kind of motor.

Finishing design work of the motor,we use finite element method software for electromagnetic analysis MagNet manufactured by a Canadian corporation Infolytica.

Key word: magnetic liner; design; finite element; MagNet; simulation

1 引言

1.1 课题研究目的及意义

随着科学技术的进步，现代先进制造装备向着高精度、高响应、高速度、大行程并不断改善工件加工质量的方向发展。例如在现代数控机床上，往往要求机床进给装置拥有在有限行程中实现高速运动和精密定位的能力，这就必须要求该驱动系统反应灵敏、高速、轻便。然而传统的“旋转电机+滚珠丝杠”的进给方式由于其自身的弱点无法满足现代数控机床的要求，因为传统的进给方式从动力源（原动机）到工作台之间，需要齿轮齿条或联轴器等一系列的中间传递机构，冗杂的中间传递机构降低了整个系统的刚性，系统弹性变形又使该系统阶次变高，进而降低系统鲁棒性，恶化伺服性能[1]。

近年来，直线电机在先进制造装备中被逐步推广，特别是在一些大行程、高精度的场合，传统的丝杠由于其自身的局限性被直线电机所取代。

在直线电机进给系统中没有联轴器等中间传递机构，实现了电机到运动台之间所谓的“零传动”，即直接驱动（direct drive）技术。在一般的数控机床中，因为其应用条件不是很苛刻所以一般采用性价比比较高的丝杠间接驱动方式，实现旋转运动转化为直线运动，但是在半导体工业、激光加工等这些要求高速、高精、大推力、或是快速响应的行业，滚珠丝杠已经无法满足系统要求的刚度、惯性、加速度等动态性能，并且丝杠副还有反向间隙，丝杠螺距的误差较大，高精度的丝杠成本很高，并且丝杠与工件台反复摩擦磨损会引起丝杠精度不稳定，工作台重量引起丝杠弹性变形等一些列问题。在一些运动场合要求苛刻的机床上，工程上甚至采用空心强冷技术来减少丝杠高速运转产生的热量，以免丝杠受热变形。相对而言，其技术的复杂性与成本都迅速增加，不适合市场经济的发展规律。所以说，直线电机驱动系统应用在数控机床上的优势已经日益明显，尤其应用于那些特殊的加工领域。

相对于传统的驱动方式，直线电机有以下优点：

1）直线电机最大的优点是可以与执行机构直接相连，省去了中间转换机构，这样使得使系统得到简化，提高了系统的刚度，降低了系统的震动和噪音，并且使传递效率提高，易于维护。

2）直线电机速度高，可以很容易地达到5m/s甚至更高的速度，而滚珠丝杠达到2m/s

的速度已经是极限了。实际中如果采用气压导轨或者磁悬浮作为支撑，可以消除机械摩擦，运动部件无磨损，则可以达到非常高的速度，如磁悬浮列车。

3）直线电机加速度高，由于没有中间环节，直线电机产生的推力直接用于加速，最高可以达到10g的加速度，因此响应迅速，这对于滚珠丝杠来讲是遥不可及的。

4）直线电机结构简单，其特殊的开放式结构使动子直接暴露在空气中，不像旋转电机动子被封在电机内部，从而具有很好的散热条件，一般不需要附加冷却装置。

5）直线电机在某些特殊场合具有不可替代的作用。如磁悬浮列车，已经核工业中液态金属的输送。

表1-1为直线电机与传统驱动方式的性能比较。

表1.1 直线电机与传统驱动方式的性能比较

性能滚珠丝杠方式直线电机方式

精度（um）2—5 0.5

重复精度（um） 2 0.1

最高速度（m/s） 1.5—2 1—5

最大加速度（g） 1.5 2—10

静态刚度（N/um）90—180 70—270

动态刚度（N/um）90—120 160—210

平稳性（%速度）10 1

调整时间（ms）100 10—20

工作寿命（h）6000—10000 50000

由于永磁材料性能的提高，特别是钕铁硼（NdFeB）材料的发明和应用，引起了电机领域的巨大变化。钕铁硼是当今磁性能最强的磁材料，它具所能提供的磁场强度比氧化铁磁材料大 10-15 倍，比铝镍钴磁材料大 5-10 倍，甚至高于电励磁，仅次于超导励磁。所以采用钕铁硼材料作为磁极可以使永磁电动机尺寸减小、功率增大、性能提高。同时由于没有励磁线圈，减小了铜耗，也不存在电刷与滑环，使电机结构更加简单。以钕铁硼材料作为磁极使高性能的永磁同步直线电机的发展成为可能。永磁同步直线电机兼具永磁电动机和直线电机的共同优势。与感应式的直线电机相比，永磁同步直线电机能提供更大的推力，在相同的推力要求下可以使电机体积更小，且具有发电制动功能，适用于重载机床、高速运输系统等场合[2]。

表1.2 两类直线电机的性能比较

电机类型感应式永磁式

推力小大

效率低高

平稳性较好好

尘埃防护易难

磁极传感器不需要需要

然而永磁同步直线电机也有其自身的缺点，如表1.2，主要是存在较大的推力波动，严重影响电机的推力性能，增加了对电机控制的难度。这与其高速高精的应用要求不相符合，也是永磁同步直线电机至今未能得到广泛应用的一个重要原因。因此，对永磁同步直线电机的推力波动进行深入分析，研究各种减小甚至消除推力波动的方法，提高永磁同步直线电机的推力性能和控制特性具有重要意义。

1.2 直线电机的研究与发展现状

1.2.1 直线电机的发展

近几年，直线电机研究开发很快，其结构设计、控制理论和电机原理等方面都有了很大的进展，并已应用到国民经济的多个领域，很多机械的直线运动均由直线电机完成，它是一种很有发展前途的新型电机。

直线电机的历史最早可以追溯到1840年惠斯登提出和制作雏形但不成功的直线电机至今已有170多年。气发展大致可分为三个阶段：探索实验阶段（1840—1955）、开发应用阶段（1956—1970）和实用商品化阶段（1971—）。

1）探索实验阶段（1840—1955）

从1840年到1955年的116年期间，直线电机从设想到实验到部分实验性应用，经历了一个不断探索，屡遭失败的过程。由于当时的制造技术，工程材料以及控制技术的现状，在经过断断续续20多年的顽强努力后，最终却未能获得成功。

2）开发应用阶段（1956—1970）

自1955年以来，直线电机进入了全面的开发阶段。这个时期，它可以说是直线电机的“文艺复兴时期”。特别是该时期的控制技术和材料的惊人发展，更加助长了这种势头。这种增长一方面固然是控制技术和材料促进了这种势头，另一方面，前些年的理论探索和实验研究工作作为多面的技术储备起到了重要作用。

3）实用商品化阶段（1971—）

从1971年始到目前的这个阶段，直线电机终于进入了独立的应用时代，在这个时代，各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实用价值的装置和产品。

1.2.2 直线电机的应用

现在直线电机被世界各国、各个行业广泛应用，主要体现在以下几个方面：

1）在物流运输系统中的应用：邮政系统的邮包、印刷品的物流分拣、输送线, 如日本东京多摩邮局的大型邮政分拣机,深圳海关也采用了由浙江大学提供直线电机驱动的物流分拣线。目前许多行业如电工、电子、机械、化工、医药等生产流水线和装配线也有部分使用直线电机驱动的传输线。

2）在数控机床中的应用：传统机床的驱动装置依赖丝杆驱动，丝杆驱动本身具有一系列不利因素，如：长度限制、机械间隙、磨擦、扭曲、螺距周期误差等，而直线电机不仅无此缺陷，且结构简单、精度可以是丝杆的10 倍甚至100 倍，加速度可以是传统机床的20 倍以上，高速、超高速、高加速度、高精度数控机床只有使用直线电机驱动才能够达到要求。自1993年德国Ex-Cell-O公司研发出世界上第一台直线电机驱动工作台的加工中心以来，直线电机已在不同种类的机床上得到应用。德国、日本和美国等国家均有几十家公司的展品采用直线电机驱动系统。美国Gincin－nati公司的HYPCR MACH高速加工中心，X轴长达46m，采用直线电机驱动后，加工大型薄壁飞机零件，用传统方法加工一件要8小时，而用该机床只需30分钟。北京机电院高技术股份有限公司承担的“十五”攻关项目《直线电机驱动的高速立式加工中心》，于2003年研制成功国内第一台直线电机驱动的加工中心，并在2003年北京国际机床展览会展出。长沙一派自主研制成功的短行程高频响高刚度音圈式直线电机（频响300Hz以上，刚度达到10Kg/μm），驱动的数控机床成功应用于内燃机关键零部件活塞的中凸变椭圆加工，得到行业好评，我国60%以上活塞中凸变椭圆是长沙一派数控机床加工的。

3）直线电机在IT行业中的应用：PCB板定位、打孔机,计算机硬盘、软盘、光驱的磁头定位装置，打印机，扫描仪等。如日本松下公司则将直线伺服电动机用于驱动数字扫描仪，使扫描仪总重减轻，启动推力提高，图象波动减少，扫描速度提高近5 倍。

4）直线电机在交通与民用方面的应用：直线电机应用于交通方面最典型的就是磁悬浮列车，它改变了传统轨道车辆靠轮轨摩擦力推进的方式，采用磁力悬浮车体、直线电机驱动技术，使列车在轨道上浮起滑行，在交通技术发展史上是一个重大的突破，被誉为21 世纪一种理想的交通工具。磁浮车与现有常规车相比，主要优点是：速度快（500km/h）；安全，无翻车；无噪声振动；占地小；爬坡强；结构简单；节能。国内外许多国家如德、日、美、法、英、俄、加拿大、韩国、瑞士、瑞典及中国都已投入了这方面的研制，其中尤以德、日最为突出。中国目前除上海的磁浮列车外，还有北京、四

川等地也正在进行这方面的工作。直线电机在民用方面发展也非常迅速，有直线电机驱动的门、窗、窗帘，盘形直线电机驱动的洗衣机，空调、冰箱用直线电机压缩机，还有用直线电机驱动的家用针织机和缝纫机、炒茶机等。特别是用直线电机驱动的电梯，它具有的结构简单、省材、省空间、高速、低噪声、节能的优点。

5）直线电机在军事上的应用：直线电机在军事上也得到了一些应用，如前面所述的直线电机驱动的潜艇，还有直线电机驱动的电磁炮，美国曾在1995 年宣布已完成。此外在一些军事设施上，如军用靶场、军用仿真系统、军用战斗武器如导弹的发射等等。随着工厂自动化、精细化及机械制造行业的高速发展，对移动机构的定位精度、移动速度、以及启动、停止的平稳性，执行元件的性能及控制技术提出了日益严格的要求，用传统的旋转电机已无法满足要求，而直线电机在这些重要场合弥补了旋转电机的不足。在新的需求和新材料新技术的推动下，直线电机将获得更大的发展。如智能型驱动器、智能型控制器的发展对直线电机的性能与精度提供了更高可靠性。为了扩大直线电机的应用领域，人们根据新的原理开发专用直线电机。如用复合弹性材料CFRP的新型超声直线电机[3]。

1.2.3 直线电机控制技术的成熟

随着控制理论的不断发展，直线电机的控制技术也日趋成熟，这在某种程度上也推进了直线电机本体设计的研究。目前，国内对于直线电机控制系统的理论研究已经超过了对电机本体的研究，理论成果很多，但应用成果还很少。在不同的阶段，针对不同的直线电机，要有不同的控制方法。

1）直线感应电机的控制仍然以矢量控制为主

直线感应电机通常是调速的控制和精度要求不高的伺服控制，目前虽然有许多直线感应电动机的控制方法，但应用最多的仍然是技术成熟矢量控制。

2）永磁直线电机向直接转矩控制技术方向发展

目前，永磁直线电机直接转矩控制的研究和样品较多，而应用中的永磁直线电机仍有不少采用矢量控制，这里有一些技术问题尚需完善，但永磁直线电机总会向直接转矩控制技术方向发展。

3）无位置传感器技术正在得到人们的重视

目前，不管是旋转电机还是直线电机，无位置传感器技术得到了越来越多的关注。相关人员也研究了很过方法，但到目前为止，高精度的直线电机无位置传感器技术尚未

得到真正的应用。

1.3 本文研究的主要内容

本文主要研究永磁直线同步电机的电磁设计并进行有限元仿真分析。首先对直线电机的工作原理进行简单的介绍，并通过比较得出直线同步电机的工作性能的优越性。随后对传统永磁直线同步电机的设计方案的局限性进行简要的阐述，在此基础上引出本文的永磁直线同步电机设计理念，即使用单层绕组和集中式线圈的设计方案完成一个单元电机的设计。

有限元法在工程中的应用广泛，近些年来在电机的设计和性能模拟中也逐渐广泛应用。本文第5章将简要介绍有限元法的原理和理论基础，以及在电磁场数值计算中的应用，并通过MagNet软件对设计出的电机进行仿真分析。

2 永磁直线同步电机的工作原理

2.1 直线电机原理

直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线，如图2-1所示。这样就得到了由旋转电机演变而来的最原始的直线电机。由定子演变而来的一侧称为初级或原边，由转子演变而来的一侧称为次级或副边。

图2-1 旋转电机演变为直线电机的过程

2.2 直线电机的分类

直线电机的分类在不同的场合有不同的分类方法。例如在考虑外形结构时，往往以结构型式上将其进行分类；当考虑其功能用途时，则又以其功能用途进行分类；而在分析或阐述电机的性质或机理时，则是以其工作原理进行分类。

2.2.1 按结构形式的分类

直线电机按其结构型式主要可分为扁平型、圆筒型（或管型）、圆盘形和圆弧型四种。

所谓扁平型直线电机，顾名思义，即为一种扁平的矩形结构的直线电机。它有单边型和双边型，。每种形式下又分别有短初级、长次级或长初级、短次级，分别如图2-2、图2-3 所示。

图2-2 单边型直线电机

图2-3 双边型直线电机

所谓圆筒型直线电机，即为一种外形如旋转电机的圆柱形的直线电机。这种电机一般为短初级、长次级型式。在需要的场合，我们还将这种电机做成既有旋转运动又有直线运动的旋转直线电机，至于旋转直线的运动体既可以是初级，也可以是次级。

所谓圆盘型直线电机，即该电机的次级是一个圆盘，不同型式的初级驱动圆盘次级做圆周运动。其初级可以是单边型也可以是双边。

所谓圆弧型电机，它的运动型式是旋转运动，且与普通旋转电机非常接近，然而它与旋转电机相比也是具有如圆盘型直线电机那样的优点，圆弧形与圆盘型的主要区别，在于次级的形式和初级对次级的驱动点有所不同。

2.2.2按功能用途的分类

直线电机，特别是直线感应电机，按其功能用途主要可分为力电机、功电机和能电机。

力电机力电机是指单位输入功率所能产生的推力，或单位体积所能产生的推力，主要用于在静止物体上或低速的设备上施加一定的推力的直线电机。它以短时运行、低

爪极永磁同步电机的设计特点

爪极永磁同步电机的设计特点 李开成张健梅（华中理工大学武汉430074） 【摘要】介绍爪极永磁同步电机转子的结构及设计特点，并说明了一些主要结构尺寸间的关系。 【叙词】永磁电机同步电机设计 1引言 爪极永磁同步电机的永久磁铁形状简单，极间漏磁大，磁铁过载能力强，机械强度高，普遍用于变流机和变频机，发电机的制造容量自数百瓦到数千瓦。当频率在1000Hz以内时，制造容量可达数十千伏安。这种电机由于转子采用爪极结构，而爪极的形状又可多种多样，因此，较普通永磁同步电机计算复杂。这种电机的分析和设计，在国内外文献中介绍较少。本文介绍爪极永磁同步电机的设计特点及爪极转子的设计。 2爪极式转子的结构及其特点

爪极式转子通常由两个带爪的法兰盘和一个圆环形永久磁铁组成，如图1所示。图la和c为左右两个带爪子的法兰盘，二者爪数相等，且等于极数的1/2。图lb为圆环形磁铁沿转子轴向充磁。图ld为装配图，左右为两个法兰盘对合，二者爪子互相错开，沿圆周均匀分布。圆环形永久磁铁夹在两个带爪法兰盘中间，使一个法兰盘上的爪子皆为N极性，另一个法兰盘上的爪子皆为S极性，形成如图le所示的多极转子结构。显然，法兰盘上的爪子起了极靴的作用。 爪极永磁同步电机中，电机的全部磁通(P对极)轴向穿过圆环形磁铁，进入爪极，经气隙进入定子，爪极中的磁路如图2所示。 爪极通常由10号钢制成，或由钢板冲成，也可由粉末冶金直接压制成形。由于磁通轴向通过爪子，爪子的每一截面通过的磁通不相等，爪尖最少，爪根最多。爪子的截面积沿电机轴向是变化的，爪尖部分的面积最小，爪根部分最大。爪极的形状多种多样，有等宽爪极、梯形爪极，还有正弦爪极。图3为梯形爪极形状。

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异步起动永磁同步电机设计

Ansoft EM专题讨论（三）——异步启动永磁同步电机设计最近有感于论坛Ansoft版区学习的氛围越来越好了，这与各位版主的努力都是分不开的。看到前面两个专题中，我们的超版和技术精英们都做了很多工作，本着向大家学习的原则，我也来凑个热闹 本人在读研期间曾经涉猎过这种电机的设计与仿真，下面就把我很久以前做的一个练习分享给大家。做的不一定对，希望大家多多批评指正！这也是和大家学习的过程，望各位不吝赐教 其实，这种电机在实际设计过程中需要注意的问题还是很多的。很遗憾在校期间没能彻底解决这个领域的一些问题。这里也希望大家广泛针对该类电机的设计进行讨论和交流，向大家学习了! 下面先给出电机结构示意图 电机为典型的4极36槽结构，绕组为单层交叉，Y接形式，内置径向W型永磁体，采用冲片类型为DW315-50。具体的其他的电机参数将在RMxprt设计中给出区别于前面两位版主的纯V11仿真，该算例采用了Ansoft RMxprt V5.0版本与Maxwell V11.1版进行了简易的联合2D仿真。对新人而言，V5.0的界面更加人性化和易于上手，推荐新同学使用。 运用Ansoft RMxprt V5.0进行基本的电磁设计，输入相应电机参数反复调试运行。下面给出本例的参数设置

基本参数 定子内外径和槽形尺寸

转子内外径和磁钢设计

转子槽形和端环设计 以上需要补充说明的是Ansoft RMxprt V5.0的材料设置问题和绕组编辑问题 就材料设置而言，大家可以利用软件自带的.h-b文件自行添加所需要的硅钢片材料，主要是需要查找一些手册来添加磁化曲线和损耗曲线，用记事本的格式进行编辑添加，放在指定的文件夹中，即可在设计中引用，图例DW315-50的.h-b文件，要对应操作窗口的各项参数进行添加，方可正确使用

直线电机开发及应用研究

2009年第1期 唐丽婵,等:基于LabVIEW 的无线远程温度监控系统 25 文章编号:1674-540X(2009)01-025-07 收稿日期:2009-01-15 作者简介:王振滨(1973-),男,博士研究生,主要从事分数阶线性系统和电气传动方面的研究工作,E mail:wangzhenbing@https://www.wendangku.net/doc/2012393897.html, 直线电机开发及应用研究 王振滨1, 余鹿延2, 周守国3 (1.上海电气集团股份有限公司中央研究院,上海200070; 2.上海赛科现代交通设备有限公司,上海200023; 3.上海捷晟电机有限公司,上海200075) 摘 要:介绍了直线电机国内外的发展现状,指出永磁同步直线电机将是直线电机今后的发展方向。阐述了永磁同步直线电机的磁阻力产生的原因及其造成的推力波动对永磁同步直线电机控制性能的影响,并归纳出减小磁阻力的方法。最后简要介绍了上海电气中央研究院在开展永磁同步直线电机研究及应用的情况。 关键词:永磁同步直线电机;磁阻力;控制;开发与应用中图分类号:T M 33 文献标识码:A The Development and Application Research of Linear Motors W A N G Zhenbin 1 ,YU L uyan 2 ,ZH O U S houguo 3 (1.Shang hai Elect ric Group Co.Lt d.Cent ral A cademe,Shang hai 200070,China;2.Shanghai SEC M odern Traffic Equipment Co.Ltd.,Shanghai 200023,China; 3.Shanghai Jie Sheng M ot or Co.,Ltd.,Shanghai 200075,China) Abstract:It intro duces the up to date researches o f linear mo to rs hom e and abro ad,and points out permanent magnet linear synchronous m otors (PMLSM )w ill be the development dir ectio n of linear motor s in the future.T he r easo ns orig inated fr om detent for ce of PM LSMs are illustrated as w ell as the influences of the thrust force r ipple caused by it on the control per for mances of PM LSMs,and the methods o f reducing detent force is summed up.Finally,a brief introduction is g iven of the researches and applications of PM LSM s made by Shanghai Electr ic Gr oup Co.Ltd.Centr al A cademe. Key words:PM LSM;detent force;contr ol;development and applicatio n 1 直线电机国内外研究现状 1.1 快速发展的永磁直线电机技术 永磁直线电动机具有结构简单、体积小、无电 励,效率高、单位推力大等优点,随着稀土永磁材料、电磁场数值计算与分析、智能控制理论以及计算机技术的不断发展,永磁直线电动机的发展越来越快,己成为学术研究和开发应用的热点。永磁直

KW调速永磁同步电动机电磁设计程序文件

11KW 变频起动永磁同步电动机电磁设计程序 及电磁仿真 1永磁同步电动机电磁设计程序 1.1额定数据和技术要求 除特殊注明外，电磁计算程序中的单位均按目前电机行业电磁计算时习惯使用的单位，尺寸以cm(厘米)、面积以cm 2(平方厘米)、电压以V （伏）、电流以A （安）、功率和损耗以（瓦）、电阻和电抗以Ω（欧姆）、磁通以Wb(韦伯)、磁密以T(特斯拉)、磁场强度以A/cm(安培/厘米)、转矩以N （牛顿）为单位。 1额定功率kw P n 11= 2相数 31=m 3额定线电压V U N 3801= 额定相电压Y 接法V U U N N 39.2193/1== 4额定频率50f HZ = 5电动机的极对数P =2 6额定效率87.0, =N η 7额定功率因数78.0cos , =N ? 8失步转矩倍数2.2* =poN T 9起动转矩倍数2.2* =stN T 10起动电流倍数2.2* =stN I 11额定相电流62.2478.087.039.21931011cos 105 , ,15=????=?=A U m P I N N N N N ?η 12额定转速1000=N n r/min 13额定转矩m N n P T N N N .039.1051000 11 55.91055.93=?=?=

14绝缘等级:B 级 15绕组形式:双层叠绕Y 接法 1.2主要尺寸 16铁心材料DW540-50硅钢片 17转子磁路结构形式:表贴式 18气隙长度cm 07.0=δ 19定子外径cm D 261= 20定子内径cm D i 181= 21转子外径86.17)07.0218(212=?-=-=cm D D i δ 22转子内径cm D i 62= 23定,转子铁心长度cm l l 1521== 24铁心计算长度cm l l a 152== 铁心有效长度cm cm l l a ef 14.15)07.0215(2=?+=+=δ 25定子槽数136Q = 26定子每极每相槽数332/362/11??==p m Q q =2 27极距cm P D i p 728.932/1814.32/1=??==πτ 28定子槽形:梨形槽 定子槽尺寸 cm h cm r cm b cm b cm h 72.153.078.038.008.002110101===== 29定子齿距cm Q D t i 5708.136 181 1 1== = π π

调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析

调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 引言 与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率 密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航 天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。 随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电 动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速 永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电 动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另 一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变 频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。 本文使用Ansoft Maxwell 软件中的RMxprt 模块进行了一种调速永磁同步电 动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D 中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行 了瞬态特性分析。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 额定数据和技术要求 调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子 冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高 永磁同步电动机的效率η、功率因数cos ?、起动转矩st T 和最大转矩max T 。本例所设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 额定数据 数值 额定功率 N 30kw P = 相数 =3m 额定线电压 N1=380V U 额定频率 =50Hz f 极对数 =3p 额定效率 N =0.94η 额定功率因数 N cos =0.95? 绝缘等级 B 级 计算额定数据：

结构参数对直线电机性能的影响

结构参数对直线电机性能的影响 文章主要以扁平型短次级长初级直线感应电机为分析对象。文章采用有限元分析软件Ansoft对铜钢复合次级直线电机进行仿真研究，分别分析了气隙大小、次级铁轭厚度、铜层厚度对电机性能的影响。对直线电机的设计开发有一定的帮助。 标签：直线感应电机；铜钢复合次级；Ansoft 直线电机由于可以直接产生直线运动，省去了由旋转运动转化为直线运动繁琐的中间传动机构，可以替代机械机构用于直线传动[1]。直线电机结构简单、速度快、控制精度高，在直线传动领域的应用越来越广泛。 1 有限元分析 考虑到直线电机的运动速度比较低，可以使用缓慢直线运动导电媒质中的电磁场方程[2]进行研究： （1） 式中，、、分别为X、Y、Z轴的单位矢量，为外加电流密度复振幅矢量，为矢量磁位复振幅矢量，、、为三个坐标轴的矢量磁位的复振幅的分量，？滋0为空气磁导率，？酌为次级导电板（铜层）的电导率，？棕为供电电源的角频率，v为次级运动速度，涡流场分析时速度为0。 以X-Y平面为二维场仿真，Y方向为次级运动方向。电流只在Z轴方向流动，所以，，（1）式可简化為： 式中，？琢=，？子为极距。 2 仿真模型建立 本文用涡流场与瞬态场结合的方法对直线电机进行分析，涡流场可以仿真稳态情况，瞬态场可以仿真动态情况并能获得Fs曲线。对直线电机的模型进行仿真时为了减小纵向端部效应的影响，本文采用了6极电机，当电机极数大于或等于6时静态纵向端部效应的影响可以忽略不计[2]。初级、次级铁轭均采用硅钢片，可以认为电导率为0，不需要考虑涡流与磁场透入深度的影响。图1为直线电机仿真模型，为了简化分析，将电机设计为无槽电机。无槽电机相当于将气隙变大，对于本文的研究不存在影响。 3 仿真结果与分析 3.1 气隙大小对电机性能的影响

有限元的分析软件Ansoft在电机领域中应用.doc

有限元分析软件Ansoft在电机领域中的应用一ansoft软件各模块的简单介绍 1 RMxprt 该软件用于探索电机设计空间、快速确定设计方案，并能进行优化设计 它已经可以进行十三种电机类型的设计： 三相感应电机 单相感应电机 永磁无刷直流电机 永磁直流电机 通用电机 开关磁阻电机 调速运行永磁同步电机 自起动三相永磁同步电机 三相同步电机 三相同步发电机 永磁同步发电机 特点： ?向导式介面，参数化输入: 工作条件,几何尺寸, 材料特性 ?基于磁网路法的快速解析分析 ?详细的结果输出：图形和表格 ?利用对称条件生成最小有限元分析模型，用于电机动态过程详细有限元分析 ?参数化设计能力：尺寸、材料等无需指定。可用一定变化范围的变量表示 ?优化设计功能 ?求解时考虑材料非线性b – h特性 ?自动设计功能: 槽型设计和线规选择 ?提供丰富的预设计电机模型库

?输入数据自动验证 ?提供美国、中国材料库和公制、英制尺寸 ?针对电机种类的多种绕组型式和用户定义绕组连接方式 ?多种负栽种类: 恒功率、恒转矩、恒转速、风机水泵 ?三维斜槽和端部效应 ?无刷电机、开关磁阻电机、永磁同步电机驱动线路类型、控制方式选择和开关管参数设定 2. Maxwell 2D 二维电磁场、温度场，瞬态场分析软件，Maxwell? 2D 是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维电磁场有限元分析软件，一般在电磁物体满足轴向均匀或RZ对称的条件下采用。 3. Maxwell 3D 包括电场、稳态磁场和交流磁场、动态电磁场、损耗计算和热分析模块，其核心是针对三维电磁场分析而优化的有限元技术。向导式的用户界面、精度驱动的自适应剖分技术和强大的后处理器使得Maxwell 3D成为业界最佳的高性能三维电磁设计软件。可以分析涡流、位移电流、集肤效应和领近效应具有不可忽视作用的系统，得到电机、母线、变压器、线圈中涡流的整体特性。功率损耗、线圈损耗、某一频率下的阻抗(R和L)、力、转矩、电感、储能等参数可以自动计算。同时也可以给出整个相位的磁力线、B和H 分布图、能量密度、温度分布等图形结果。 4. Optimetrics Optimetrics是Maxwell 3D的选件模块，用于优化、参数分析和敏感性分析。Optimetrics为设计者评估特定参数和目标函数之间关系最终进行装置优化提供了有力工具。采用宏功能，仿真过程中可以对形状、激励/边界条件、频率等进行参数分析优化。 OPTIMETRICS是绝佳的参数化和优化引擎，它可让用户从一非常简洁易用的界面执行参数分析、敏感性分析、优化和其他许多设计研究。OPTIMETRICS模块驱动ANSOFT的电磁场解算器，使工程师们能用精确电磁场仿真来设计电子器件和产品。采用OPTIMETRICS，就可以很快很轻易地执行大量的设计变量、优化器件，并自动进行实验设计研究来推导出敏感性和不确定性与制造容差之间的函数关系。 OPTIMETRICS自动产生和修改宏。用户建立一个项目并定义要改变的独立参数。宏编辑器模块自动解释宏文本中的特显行，使用户可定义独立变量，然后用户再定义在参数分析中需计算的非独立变量，或在优化中需最小化的COST函数。非独立变量和COST函数在HFSS中可以是任意的计算值：场值、S-参数、频率响应、本征模、阻抗等。HFSS执行所要求的计算，向参数分析提供便利的表格形式的输出，向优化提供最佳的设计要求。报告生成器使用户能绘出参数仿真中独立参数与非独立参数间的关系以及优化中费用函数及其他度量与周期的关系。 5. simplorer 二沈阳ansoft电磁场培训笔记摘要

Ansys有限元分析温度场模拟指导书

实验名称：温度场有限元分析 一、实验目的 1. 掌握Ansys分析温度场方法 2. 掌握温度场几何模型 二、问题描述 井式炉炉壁材料由三层组成，最外一层为膨胀珍珠岩，中间为硅藻土砖构成，最里层为轻质耐火黏土砖，井式炉可简化为圆筒，筒内为高温炉气，筒外为室温空气，求内外壁温度及温度分布。井式炉炉壁体材料的各项参数见表1。 表1 井式炉炉壁材料的各项参数 三、分析过程 1. 启动ANSYS，定义标题。单击Utility Menu→File→Change Title菜单，定义分析标题为“Steady-state thermal analysis of submarine” 2.定义单位制。在命令流窗口中输入“/UNITS, SI”，并按Enter 键

3. 定义二维热单元。单击Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete 菜单，选择Quad 4node 55定义二维热单元PLANE55 4.定义材料参数。单击Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material Models菜单

5. 在右侧列表框中依次单击Thermal→Conductivity→Isotropic，在KXX文本框中输入膨胀珍珠岩的导热系数0.04，单击OK。 6. 重复步骤4和5分别定义硅藻土砖和轻质耐火黏土砖的导热系数为0.159和0.08，点击Material新建Material Model菜单。 7.建立模型。单击Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Circle→By Dimensions菜单。在RAD1文本框中输入0.86，在RAD2文本框中输入0.86-0.065，在THERA1文本框中输入-3，在THERA2文本框中输入3，单击APPL Y按钮。

高效永磁同步电动机设计技术研究

高效永磁同步电动机设计技术研究

目录 1、基本情况及背景介绍 (2) 2、高效永磁同步电动机关键技术的研究 (3) 2.1优化转子磁路结构，提高电机的可靠性 (3) 2.2永磁电机防退磁技术研究 (5) 2.3漏磁系数准确计算的研究 (7) 2.4稀土永磁材料的高温退磁特性及应用技术的研究 (10) 2.5稀土永磁材料的剩磁测试技术的研究 (14) 2.6电机的起动性能 (16) 2.7失步转矩倍数 (17) 2.8其它性能指标 (18)

1、基本情况及背景介绍 稀土永磁是一种高性能的功能材料，它的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积等优异磁性能特别适合于制造电机。用它制成的永磁同步电机，不需要用以产生磁场的无功励磁电流，可显著提高功率因数，减少定子电流和定子电阻损耗。在稳定运行时没有转子电阻损耗，使电机温升有较大裕度，从而可将风扇减小甚至不安装风扇，以减少风摩损耗提高电机效率。与普通的电励磁同步电动机相比，不需要用以产生磁场的励磁绕组和直流励磁电源，取消了容易出问题的集电环和电刷装置，成为无刷电机，运行可靠，又效率提高。因此，国内外都投入大量人力物力从事高效钕铁硼永磁电机的研制开发。 相对于异步电机，永磁同步电动机(PMSM)具有体积小、功率密度高等优点，效率比同规格的感应异步电机高2~8%。我国稀土永磁资源储量占世界储量的80％，发展永磁电机具有得天独厚的优势。 早在1980年，我国有关高校及科研院所就开始从事高效永磁电动机的研制开发，先后研制开发出多种类型电动机的样机，技术水平参差不齐，还存在着转子磁路单一、永磁材料可能退磁、测试和制造工艺复杂等问题，性能价格比不够理想，价格偏高。 为了充分发挥钕铁硼永磁材料的优异磁性能，针对钕铁硼永磁电动机在磁、电、机、热等方面的特点，进行技术集成和创新，特别对转子磁路结构、钕铁硼永磁材料的热稳定性做了深入研究，并应用于产品开发过程，提高其效率、性价比，可靠性（主要指不退磁），扩大应用领域，为把稀土资源优势转化为经济优势作贡献。

直线电机二维静态磁场分析

5.1直线电机二维静态磁场分析 为了简化分析过程，假设本文分析模型边界上没有漏磁（即磁通量与边界平行）。原有直线电机的外铁芯是分成两块，现在合并成一块可以减小漏磁通，改善了直线电机的性能。原有装配图中直线电机的磁回路比较复杂，为分析方便将其简化为二维轴对称模型。二维静态磁场的有限元分析有以下几个步骤： 1.创建物理环境 2.建立模型，对模型的不同区域赋材料特性，划分网格 3.施加边界条件和载荷 4.求解 5.后处理（查看计算结果） 5.1.1创建物理环 境 从主菜单中选择Main Menu：Preference命令，将打开Preference of GUI Filtering （菜单过滤参数选择）对话框，选中Magnetic-Nodal复选框，单击OK按钮确定。 图5-1 菜单过滤参数选择Fig. 5-1 Preference of GUI Filtering

定义单元类型和选项：根据论文分析模型的结构选择Vect Quad 4node13单元表示所有区域，包括铁芯、线圈、线圈骨架及空气（如图5-2）。相应操作为：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/delete>Add 。文中把磁路模型简化成二维轴对称来分析，所以在单元类型选项中选择轴对称，如图5-3所示： 5.1.2 磁路模型的建立及网格划分 定义材料特性：直线电机内部结构比较复杂，由多种材料构成，如内铁芯、外铁芯、线圈、线圈骨架、空气等。在有限元求解过程中为了考虑实际材料特性的影响，需要对直线电机内部不同面域设置并分配相应的材料属性（如图5-4）: 1.线圈骨架（YL12）：相对磁导率MURX=l.0； 2.线圈（铜漆包线）:相对磁导率MURX=l.0； 3.空气：相对磁导率MURX=l.0； 4.内铁芯和外铁芯（工业纯铁DT4）：B-H 磁化特性曲线（如图5-5，5-6所示）。 图5-2 定义单元类型 Fig. 5-2 Define element type 图5-3 单元类型选项 Fig. 5-3 The options of element type 图5-4 定义材料特性 Fig. 5-4 Defining materials performances 图5-5 纯铁（DT4）磁化曲线 Fig. 5-5 Magnetization curve of pure iron

调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析

调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 引言 与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。 随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。 本文使用Ansoft Maxwell软件中的RMxprt模块进行了一种调速永磁同步电动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行了瞬态特性分析。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 额定数据和技术要求 调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高 T。本例所永磁同步电动机的效率η、功率因数cos?、起动转矩st T和最大转矩max 设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 计算额定数据：

(1) 额定相电压：N 220V U U == (2) 额定相电流：3 N N N N N 1050.9A cos P I mU η??== (3) 同步转速：160=1000r /min f n p = (4) 额定转矩：3 N N 1 9.5510286.5N m P T n ?==g 2.2 主要尺寸和气隙长度的确定 永磁电机的主要尺寸包括定子内径和定子铁心有效长度，它们可由如下公式 估算得到： 2 i11P D L C n '= N N N cos E K P P η?'=， 6.1p Nm dp C K K AB δ α=' 式中，i1D 为定子内径，L 为定子铁心长度，P '为计算功率，C 为电机常数。 E K 为额定负载时感应电势与端电压的比值，本例取0.96；p α'为计算极弧系数， 初选0.8；Nm K 为气隙磁场的波形系数，当气隙磁场为正弦分布时等于1.11；dp K 为电枢的绕组系数，初选0.92。A 为电机的线负荷，B δ为气隙磁密，A 和B δ的 选择非常重要，直接影响电机的参数和性能，应从电机的综合技术经济指标出发 来选取最合适的A 和B δ值，本例初选为200A/cm,0.7T A B δ==。 由上式可初步确定电机的2i1D L ，但要想进一步确定i1D 和L 各自的值，还应选择主要尺寸比i1i122L L pL D D p λπτπ===，其中τ为极距。通常，中小型同步电动机的0.6~2.5λ=，一般级数越多，λ也越大，本例初选1.4。 永磁同步电动机的气隙长度δ一般要比同规格的感应电动机的气隙大，主要 是因为适当的增加气隙长度可以在一定的程度上减小永磁同步电动机过大的杂 散损耗，减低电动机的振动与噪声和便于电动机的装配。所以设计永磁同步电动 机的气隙长度时,可以参照相近的感应电动机的气隙长度并加以适当的修改。本 例取=0.7mm δ。 确定电动机定子外径时，一般是在保证电动机足够散热能力的前提下，视具 体情况为提高电动机效率而加大定子外径还是为降低成本而减小定子外径。

电磁场有限元分析

水轮发电机单通风沟三维简化模型温升计算 一、问题分析 近年来，随着水轮发电机单机容量的不断增加，在发电机进行能量转换过程中产生的损耗不断增大，使其运行的温升问题日趋严峻。根据上述情况，运用有限元分析方法，建立发电机单通风沟三维简化模型进行发电机温升计算。 二、电机单通风沟有限元分析 1.1 水轮发电机单通风沟三维简化模型建立 根据实际水轮发电机结构和通风沟特点，并考虑可接受误差，进行适当简化，以便于简化有限元分析计算得到以下模型，如图1所示。 图1 发电机单通风沟简化物理模型 由图1所示：水轮发电机单风沟简化物理模型三维求解域在轴向上包含发电机一个通风沟以及通风沟两侧各半个轴向铁心段；幅向上包含发电机定子三个槽、转子两个槽。 根据有限元分析特点，对发电机单通风沟简化物理模型进行网格剖分，得到发电机单通风沟简化物理模型剖分图如图2所示。

图2 电机单通风沟简化物理模型网格剖分 由于物理模型较小，可以适当加密剖分进而提高计算精度，故采用楔形和六面体的混合网格进行剖分，总网格数共48万，节点数为30万。利用有限体积法，将流体场和温度场进行强耦合求解，从而 得到发电机的详细温升分布情况。 1.2 边界条件 在图1中，求解域内的面 S为径向通风沟的进风口，沿径向与面 1 S对应的面2S为径向通风沟的出风口。由此，根据所研究发电机的实1 际运行工况，可以给定如下发电机单风沟物理模型的边界条件：1）冷却空气的初始基值绝对温度为0K； 2）径向通风沟入口 S风速为5.1m/s的速度入口边界，通风沟出 1 口 S为自由流动边界； 2 3）求解域其它外边界均为绝热面，发电机内部流体与固体的接 触面均为无滑移边界面。

直线电机

摘要 直线感应电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种变形，它可以看作是一台旋转电机沿其径向剖开，然后拉平演变而成。在直线感应电机中，相当于旋转电机定子的，叫初级；相当于旋转电机转子的，叫次级。直线感应电机的工作原理：当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。 直线感应电机结构简单，随动性好，体积较小，广泛应用于工业生产、交通运输、印刷业以及人们的日常生活中。研究直线感应电机的瞬变特性，有利于分析速度变化对电机性能的影响，进而通过改变初级结构或激励源等方法对电机性能进行改进。 本文利用有限元分析软件对直线感应电机瞬态特性进行计算，得到电机性能与参数间的变化对应关系，为直线感应电机的结构优化奠定必要的理论基础。 1．建立直线感应电机有限元分析模型； 2．利用有限元软件分析直线感应电机瞬态特性； 3．分析初级结构等参数变化对电机电磁力和感应电动势等性能的影响。 关键字：直线感应电机；有限元；瞬态；感应电动势 目录 摘要 Abstract 第一章绪论 1 1.1 直线电机的发展概况 1 1.2直线感应电机国内外发展现状 2 1.3课题研究背景及意义 3 1.3.1课题研究背景 3 1.3.2课题研究的意义 4 1.4 课题主要内容与要求 4 1.4.1 课题主要内容 4 1.4.2 课题研究的要求 4 第二章课题对象及研究方法介绍 5 2.1直线感应电机介绍 5 2.1.1 圆筒型直线感应电机 6 2.1.2平板型直线感应电机 7

ANSYS大型变压温度场的有限元分析

ANSYS大型变压温度场的有限元分析 杨涛 华北科技学院机电工程系材控B112班 摘要：变压器是一种静止的电能转换装置，它利用电磁感应原理，根据需要可以将一种交流电压和电流等级转变成同频率的另一种电压和电流等级。它对电能的经济传输、灵活分配和安全使用具有重要的意义；同时，它在电气的测试、控制和特殊用电设备上也有广泛的应用。如何开发合适的温度场计算技术，准确地计算变压器在各种运行状态下内部线圈、结构件及铁芯等部位的温度，控制内部热点温度不超过其内部绝缘材料的许用温度，从而保证变压器的热寿命，提高变压器的安全可靠性，是企业急需解决的问题。准确计算出变压器的平均温升和最热点温升，并合理地控制其分布，以满足标准要求，是保证变压器安全、稳定和高校运行的关键。 关键字：温度场;变压器；铁芯；有限元；ANSYS 1引言 变压器是电力网中的主要设备，其总容量达到发电设备总容量的5～6倍。电力变压器的技术性能、经济指标直接影响着电力系统的安全性、可靠性和经济性。随着科学技术的发展、生产技术的进步以及新型电工材料的开发应用，变压器的各项性能指标不断刷新，单机容量越来越大，变压器中的漏磁场也随之增大，引起了人们的关注。在额定运行情况下，漏磁场的增强引起的变压器附加损耗的增加将直接影响变压器的运行效率和产品的竞争力。严重的是，由于漏磁场在一定范围内的金属结构件中产生的涡流损耗不均匀，有可能造成这些结构件的局部过热现象。变压器的容量越大，漏磁场就越强，从而使稳态漏磁场引起的各种附加损耗增加，如设计不当它将造成变压器的局部过热，使变压器的热性能变坏，最终导致绝缘材料的热老化与击穿。 在电力系统发生短路时，暂态短路电流产生的漏磁场还可能产生巨大的机械力，对其绝缘和机械结构造成致命威胁。为了避免此种事故发生，必须对漏磁场进行全面的分析。为此，对变压器运行的效率、寿命和可靠性提出了越来越高的要求。 变压器在220℃温度下, 保持长期稳定性，在350℃温度下, 可承受短期运行，在很广的温度和湿度范围内, 保持性能稳定，在250℃温度下, 不会熔融,流动和助燃，在750℃温度下, 不会释放有毒或腐蚀性气体。为了减少过高温度对变压器绝缘材料的影响，使变压器实现预期的使用寿命，保证变压器安全可靠的运行，变压器各部分都有各自所规定的温度极限，现主要对变压器的铁芯和绕组进行有限元分析。 2变压器 2.1变压器的基本原理 由于变压器是利用电磁感应原理工作的，因此它主要由铁心和套在铁心上的两个（或两个以上）互相绝缘的线圈所组成，线圈之间有磁的耦合，但没有电的联系（如图1所示）。

Ansoft永磁同步电机 设计 报告

现代电机设计 利用Ansoft软件对异步起动永磁同步电动 机的分析计算 2013 年7 月

目录 第1章引言………… 第2章 RMxprt在永磁同步电机中的电机性能分析………… 2.1 Stator项设置过程………… 2.2 Rotor项设置过程………… 2.3 Line Start-Permanent Magnet Synchronous Machine的电机仿真………… 2.4 计算和结果的查看………… 第3章静态磁场分析………… 3.1 电机模型和网格剖分图………… 3.2 磁力线分布图…………………… 3.3 磁密曲线 3.3.1 气隙磁密分布………… 3.3.2 定子齿、轭部磁密大小………… 3.3.3 转子齿磁密大小………… 第4章瞬态场分析………… 4.1 额定稳态运行性能………… 4.1.1 电流与转矩大小………… 4.1.2 各部分磁密………… 4.2 额定负载启动………… 4.2.1 转矩-时间曲线………… 4.2.2 电流-时间曲线………… 4.2.3 转速-时间曲线………… 4.2.4 转矩-转速曲线…………

第1章引言 Ansoft Maxwell作为世界著名的商用低频电磁场有限元软件之一，在各个工程电磁场领域都得到了广泛的应用。它基于麦克斯韦微分方程，采用有限元离散形式，将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解。该软件包括二维求解器、三维求解器和RMxprt旋转电动机分析专家系统这3个主要模块，不仅可以进行静磁场、静电场、交直流传导电场、瞬态电场、涡流场、瞬态磁场等不同的基本电磁场的特性分析，还可以通过RMxprt电动机模块仿真多种电动机模型，为实际电动机设计提供帮助。利用Ansoft软件进行仿真可以帮助我们了解电动机的结构特性。 本文是一台4极、36槽绕组永磁同步电动机，利用RMxprt模块进行电机的建模、仿真以及导入到Maxwell2D的有限元模块的方法，然后再对Maxwell2D 中的永磁体模型进行修正，最后对该电机在静态磁场和瞬态磁场的情况下进行分析。

基于有限元的电磁场仿真与数值计算

鼠笼异步电动机磁场的有限元分析 摘要 鼠笼异步电动机具有结构简单、价格低廉、运行可靠、效率较高、维修方便等一系列的优点，在国民经济中得到广泛的应用。工业、农业、交通运输、国防工程以及日常生活中都大量使用鼠笼异步电动机。随着大功率电子技术的发展，异步电动机变频调速得到越来越广泛的应用，使得鼠笼异步电动机在一些高性能传动领域也得到使用。 鼠笼异步电动机可靠性高，但由于种种原因，其故障仍时有发生。由于电动机结构设计不合理，制造时存在缺陷，是造成故障的原因之一。对电机内部的电磁场进行正确的磁路分析，是电机设计不可或缺的步骤。利用有限元法对电机内部磁场进行数值分析，可以保证磁路分析的准确性。本文利用Ansys Maxwell软件，建立了鼠笼式异步电机的物理模型，并结合数学模型和边界条件，完成了对鼠笼式异步电动机的磁场仿真，得到了物理模型剖分图，磁力线和磁通分布图，为电机的进一步设计研究提供了依据。 关键词：Ansys Maxwell；鼠笼式异步电机；有限元分析

一、前言 当电机运行时，在它的内部空间，包括铜与铁所占的空间区域，存在着电磁场，这个电磁场是由定、转子电流所产生的。电机中电磁场在不同媒介中的分布、变化及与电流的交链情况，决定了电机的运行状态与性能。因此，研究电机中的电磁场对分析和设计电机具有重要的意义。 在对应用于交流传动的异步电机进行电磁场的分析计算时，传统的计算方法因建立在磁场简化和实验修正的经验参数的基础之上，其计算精度就往往不能满足要求。如果从电磁场的理论着手，研究场的分布，再根据课题的要求进行计算，就有可能得到满意的结果。电机电磁场的计算方法大致可以分为解析法、图解法、模拟法和数值计算法。数值解法是将所求电磁场的区域剖分成有限多的网格或单元，通过数学上的处理，建立以网格或单元上各节点的求解函数值为未知量的代数方程组。由于电子计算机的应用日益普遍，所以电机电磁场的数值解法得到了很大发展，它的适用范围超过了所有其它的解法，并能达到足够的精度。对于电机电磁场问题，常用的数值解法有差分法和有限元法两种。用有限元法时单元的剖分灵活性大，适用性强，解的精度高。因此我们采用有限元法对电机电磁场进行数值计算。 Maxwell2D 是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维电磁场有限元分析软件。在这里，我们利用Ansys的Maxwell2D 有限元分析工具对一个三相四极电机进行有限元分析，构建鼠笼式异步电机电动机的物理模型，并结合电机的数学模型、边界条件进行磁场分析。

有限元报告——温度场

有限元上机报告——温度场的有限元计算 一．问题 如图一平面结构在无热源情况下，给定热边界条件，用有限元分析温度分布。 二．解决步骤 1． 对问题的分析 采用简单的三角形单元，单元内温度假定为线性分布，即 y a x a a y x T 321),(++= 与平面结构一样，可用单元3个顶点n m l 、、的温度n m l T T T 、、插值单元内部温度场，有 []{}e T T N y x T =),( 其中 {}[]T n m l e T T T T = 为e 单元的节点温度列阵，而形状函数矩阵为 [][]n m l T N N N N = 简单三角形单元内假定的温度场是线性分布的，其形状函数应为 ?++=2/)(y c x b a N l l l l 对任一个单元e ，如面积域为e Ω，则单元泛函数为 x y 100 100 A B D C

dxdy y T x T y T x T dxdy y T x T U e e e ?? ??? ?????????????? ?????=??? ????????? ????+??? ????=??ΩΩ212122 而 []{}[]{}e e T T F T N y x y T x T =?? ????????????=?????????????? []?? ? ? ???=n m l n m l c c c b b b F 21 所以，泛函数 {}[]{}e T e e T h T U 2 1= 单元刚度矩阵 [][] n m l n m l n m l F F F c c c b b b F ?= ?? ?????= 21 21 所以 [][][]n m l T n T m T l T F F F F F F F F ?? ? ? ???????=241 所以 [][][]()()s r s r s s r r rs rs e c c b b c b c b h h h +? = ???? ???=? = 41 41 41 2.数据准备 如图所示，划分单元格