畢業(yè)設(shè)計(jì)61基于ANSYS8.0的永磁直線電機(jī)的有限元分析及計(jì)算

基于 ANSYS8.0的永磁直線電機(jī)的有限元分析及計(jì)算 學(xué)生姓名 ： 沈沉 指導(dǎo) 教師 ： 余佩瓊 浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院電氣工程系 摘 要 永磁直線電機(jī)是一種具有很高定位精度的新型電機(jī)。不同與其他勵(lì)磁的直線電機(jī)，它采用永磁體作為勵(lì)磁源。研究其磁場(chǎng)分布及力特性具有重要意義。相對(duì)于傳統(tǒng)的解析法，有限元數(shù)值分析可以縮短電機(jī)的設(shè)計(jì)周期及減少設(shè)計(jì)成本，可對(duì)直線電機(jī)的磁場(chǎng)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(chǎng)分析功能對(duì)永磁直線電機(jī)的磁場(chǎng)進(jìn)行有限元的分析和 計(jì)算，并在此分析的基礎(chǔ)上對(duì)永磁直線電機(jī)的力場(chǎng)做進(jìn)一步的計(jì)算和分析，對(duì)永磁直線電機(jī)的設(shè)計(jì)具有重要的工程意義。 通過(guò)電磁場(chǎng)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(jī)的有限元模型，分析其 2維靜態(tài)磁場(chǎng)，得到初步的分析結(jié)果，并在這個(gè)分析的基礎(chǔ)上對(duì)永磁直線電機(jī)的力場(chǎng)進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，計(jì)算直線電機(jī)的推力和法向力，結(jié)合永磁直線電機(jī)的靜態(tài)磁場(chǎng)，研究了永磁直線電機(jī)推力及法向力和電流變化的相互關(guān)系，對(duì)今后永磁直線電機(jī)的設(shè)計(jì)和研究具有一定的參考意義。 關(guān)鍵詞 永磁直線電機(jī)、有限元、 ANSYS、電磁場(chǎng)、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(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先要衷心感謝我的指導(dǎo)老師余佩瓊，在這一個(gè)學(xué)期的的畢業(yè) 設(shè)計(jì)期間給于我很多的指導(dǎo)和幫助，在我遇到困難的時(shí)候，給了我許多有用的建議和提示。本文的順利完成，離不開(kāi)導(dǎo)師的關(guān)懷和悉心輔導(dǎo)，再次表示衷心的感謝。 同時(shí)，也感謝學(xué)校對(duì)畢業(yè)生學(xué)習(xí)工作的關(guān)心和支持，使我們能夠順利的進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)，感謝信息學(xué)院給我提供了良好的實(shí)驗(yàn)室，感謝學(xué)校圖書館及其網(wǎng)絡(luò)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(xué)對(duì)我支持，幫助。 最后感謝所有關(guān)心和支持畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)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(jī)的發(fā)展和應(yīng)用 . 1 1.2 直線電機(jī)的分類 . 3 1.3 直線電機(jī)的工作原理 . 4 1.4 有限元分析及相關(guān)軟件的介紹 . 5 1.4.1有限元分析簡(jiǎn)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(chǎng)有限元計(jì)算中的應(yīng)用 . 9 2.1 電磁場(chǎng)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(jì)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(jī)的電磁場(chǎng)有限元仿真分析 . 20 3.1 永磁直線電機(jī)的磁場(chǎng)分析方法概述 . 20 3.2 永磁直線電機(jī)的磁場(chǎng)有限元仿 真模型 . 20 3.2.1永磁直線電機(jī)的結(jié)構(gòu) . 20 3.2.2永磁直線電機(jī)磁場(chǎng)有限元模型的建立 . 21 3.3 永磁直線電機(jī)的磁場(chǎng)分析 . 23 3.3.1永磁直線電機(jī)邊端效應(yīng) . 23 3.3.2永磁直線電機(jī)齒槽效應(yīng) . 24 3.3.3永磁直線電機(jī)磁場(chǎng)變化 . 24 第 4章 永磁直線電機(jī)的力場(chǎng)特性的有限元仿真分析 25 4.1 永磁直線電 機(jī)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(guān)系 . 27 4.2.2 推力系數(shù) . 28 4.3 推力與法向力與電機(jī)電流相位的 分析 . 28. 4.3.1推力與 法向力 電流相位 關(guān)系 . 28 4.4 推力與法向力的波動(dòng)問(wèn)題 . 28 4.4.1永磁電機(jī)空載時(shí) 的輸出力 . .29 4.4.2永磁電機(jī)額定電流下 的輸出力 . 31 第 五 章 結(jié)論與展望 . 34 參考文獻(xiàn) . 35 附錄 ANSYS8.0使用說(shuō)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(jī)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(shí)推力和法向力波動(dòng)變化數(shù)據(jù) . 31 表 4 4 額定電流下推力和法向力波動(dòng)變化 . 32 圖 列 圖 11 直線電機(jī)按工作原理的分類 . 3 圖 1 2 由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變?yōu)橹本€電機(jī)的過(guò)程 . 4 圖 1 3 直線電機(jī)的工作原理 . 4 圖 1 4 有限元模型 圖 . 4 圖 1 5 最大切應(yīng)力 等應(yīng)力線圖 . 5 圖 2 1 永磁直線電機(jī)的 2-D實(shí)體 . 15 圖 2 2 永磁直線電機(jī)的 3-D實(shí)體模型 . 15 圖 2 3 定義完材料屬性后的實(shí)體模型 . 16 圖 2 4 永磁直線電機(jī)的網(wǎng)絡(luò)劃分 . 17 圖 2 5 加載力標(biāo)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(jī)的結(jié)構(gòu) . 21 圖 3 2 PMLSM繞組接線圈 . 21 圖 3 3 永磁直線電機(jī)的有限元模型 . 21 圖 3 4 鑄鐵的 B-H曲線 . 22 圖 3 5 初級(jí)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(jī)磁力線圖 . 22 圖 3 8 永磁直線電機(jī)磁通密度矢量圖 . 22 圖 3 9 永磁直線電機(jī)磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量圖 . 22 圖 3 10 永磁電機(jī)左邊端效應(yīng) . 23 圖 3 11 永磁電機(jī)右邊端效應(yīng) . 23 圖 3 12 永磁體單獨(dú)作用的磁力線圖 . 23 圖 3 13 額定電流單獨(dú)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(jí)移動(dòng)的過(guò)程示意圖 . 28 圖 4 7 推力波動(dòng) . 29 圖 4 8 法向力波動(dòng) . 29 圖 4 9 額定電流下推力波動(dòng) . 31 圖 4 10 額定電流下法向力波動(dòng) . 32 第一章 緒論 1.1直線電機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用 直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。在結(jié)構(gòu)上 , 直線電機(jī)相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)在頂上沿徑向剖開(kāi)并將其圓周拉直 , 工作原理同旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似。因?yàn)樗恍枰?任何中間環(huán)節(jié)就可直接驅(qū)動(dòng)被控制對(duì)象產(chǎn)生直線軌跡運(yùn)動(dòng) , 所以我們把直線電機(jī)的傳動(dòng)方式稱為 “零傳動(dòng) ”。 由于采用了 “零傳動(dòng) ”, 從而較傳統(tǒng)的 “旋轉(zhuǎn)電機(jī) + 機(jī)械變換環(huán)節(jié) ”的傳動(dòng)方式有明顯的優(yōu)勢(shì) , 如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)接觸、無(wú)磨損、噪聲低、速度快、精度高等。近年 , 隨著工業(yè)加工質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)定位精度等要求的提高 , 直線電機(jī)受到了廣泛的關(guān)注。在國(guó)外 ,直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)已進(jìn)入工業(yè)化階段 , 但國(guó)內(nèi)尚處于起步階段。 近幾年 , 直線電機(jī)研究開(kāi)發(fā)很快 , 其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制理論和電機(jī)原理等方面都有了很大的進(jìn)展 , 并已應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的多個(gè)領(lǐng)域 , 很多機(jī)械的直線運(yùn)動(dòng)均由直線電機(jī)完成，它是一種很有發(fā)展前途的新型電機(jī)。 直線電機(jī)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(jī) , 至今已有 160 多年。其發(fā)展大致可分為三個(gè)階段 : 探索實(shí)驗(yàn)階段 (18401955)、開(kāi)發(fā)應(yīng)用階段 (19561970) 和實(shí)用商品化階段 (1971)。 1探索實(shí)驗(yàn)階段 (18401955) 從 1840 年到 1955 年的 116 年期間，直線電機(jī)從設(shè)想到實(shí)驗(yàn)到部分實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用，經(jīng)歷了一個(gè)不斷探索，屢遭失敗的過(guò)程。由于當(dāng)時(shí)的制造技術(shù)，工程材料以及控制技術(shù)的現(xiàn)狀，在經(jīng) 過(guò)斷斷續(xù)續(xù) 20 多年的頑強(qiáng)努力后，最終卻未能獲得成功。 2開(kāi)發(fā)應(yīng)用階段 (19561970) 自 1955 年以來(lái)，直線電機(jī)進(jìn)入了全面的開(kāi)發(fā)階段。這個(gè)時(shí)期，它可以說(shuō)是直線電機(jī)的“文藝復(fù)興時(shí)期 ”。特別是該時(shí)期的控制技術(shù)和材料的驚人發(fā)展，更加助長(zhǎng)了這種勢(shì)頭。這種增長(zhǎng)一方面固然是控制技術(shù)和材料促進(jìn)了這種勢(shì)頭，另一方面，前些年的理論探討和實(shí)驗(yàn)研究工作作為多年的技術(shù)貯備起到了重要的作用。 3實(shí)用商品化階段 (1971) 從 1971 年始到目前的這個(gè)階段，直線電機(jī)終于進(jìn)入了獨(dú)立的應(yīng)用時(shí)代，在這個(gè)時(shí)代，各類直線電機(jī)的應(yīng)用得到 了迅速的推廣，制成了許多具有實(shí)用價(jià)值的裝置和產(chǎn)品。 目前，直線電機(jī)在世界各國(guó)的應(yīng)用大致可分為五個(gè)方面，即物流系統(tǒng)、工業(yè)設(shè)備、信息與自動(dòng)化系統(tǒng)、交通與民用、軍事及其它。 1.2 直線電機(jī)的分類 根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn) ,直線電機(jī)有不同的分類型式。直線電機(jī)按其結(jié)構(gòu)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(jī)是一種扁平的矩形結(jié)構(gòu)的直線電機(jī)，它有單邊型和雙邊型之分。每種型式下又分別有短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)或長(zhǎng)初級(jí)短次級(jí)。圓筒型直線電機(jī)為一種外形如旋轉(zhuǎn)電機(jī)的圓柱形的直線電機(jī)。這種直線電機(jī)一般均為短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí) 型式。在需要的場(chǎng)合，我們還將這種電機(jī)做成既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又有直線運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)直線電機(jī)，至于旋轉(zhuǎn)直線的運(yùn)動(dòng)體既可以是初級(jí)，也可以是次級(jí)。圓盤型直線電機(jī)，即該電機(jī)的次級(jí)是一個(gè)圓盤。其初級(jí)可以是單邊型也可以是雙邊型。圓弧型電機(jī)，它的運(yùn)動(dòng)型式是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)非常接近，然而它與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比也是具有如圓盤型直線電機(jī)那樣的優(yōu)點(diǎn)，圓弧型與圓盤型的主要區(qū)別，在于次級(jí)的型式和初級(jí)對(duì)次級(jí)的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)有所不同。 直線電機(jī)，特別是直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，按其功能用途主要可分為力電機(jī)，功電機(jī)和能電機(jī)。 1力電機(jī) 力電機(jī)是指單位輸入功率所能 產(chǎn)生的推力，或單位體積所能產(chǎn)生的推力，主要用于在靜止物體上或低速的設(shè)備上施加一定的推力的直線電機(jī)。它以短時(shí)運(yùn)行、低速運(yùn)行為主，例如閥門的開(kāi)閉、門窗的移動(dòng)、機(jī)械手的操作、推車等等。這種電機(jī)效率效低，甚至為零 (如對(duì)靜止物體上施