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,基于,ansys8,永磁,直線,電機(jī),機(jī)電,有限元分析,計(jì)算 直線可變磁阻式永磁電動(dòng)機(jī)的 3維空間有限元分析Pengtao Liu, Peter Graszkiewicz and Theo KangsanantDepartment of Electrical EngineetingRMIT University摘要:直線可變磁阻式永磁(橫向磁 場(chǎng)) 電動(dòng)機(jī)能夠產(chǎn)生很高推力密度。本文介紹 3 維空間有限元分析在這類電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用。建立一個(gè)半剖面模型的目的是 為了簡(jiǎn)化計(jì)算?？?慮了相端電壓的影響.電動(dòng)機(jī)的靜力被計(jì)算出來(lái)。一臺(tái)原型 電動(dòng)機(jī)的測(cè)試結(jié) 果被用來(lái)做為比較.1. 引言最近，橫向磁通結(jié)構(gòu)的永磁電動(dòng)機(jī)正引起人們更多的關(guān)注。這種電動(dòng)機(jī)能夠在低轉(zhuǎn)速時(shí)產(chǎn)生很高的轉(zhuǎn)矩或推力。因此它們具有廣闊的應(yīng)用前景，比如在直接驅(qū)動(dòng)方面。1988 年,Weh[1]提出了 2 種橫向磁通永磁機(jī)器(TFPMM).1993 年,Harris 和 Mecrow[2,3]研究了這種機(jī)器的一種相反的版本，他們稱它為可變磁阻永磁電動(dòng)機(jī)(VRPMM)。Mitcham[4]報(bào)道了20MW 的 TFRMM 在船的直接推進(jìn)力上的發(fā)展。除了高轉(zhuǎn)矩密度,這種電動(dòng)機(jī)因還具有低振動(dòng)和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)而受到期待。Henneberger 和 Bork[5]研究了三相單邊 TFPMM。這種電動(dòng)機(jī)制造簡(jiǎn)單并且常規(guī)的變極器就能供它使用.Huang[6]在常規(guī)粒度和功率密度方面對(duì) TFPMM與其他常規(guī)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了比較。高性能的計(jì)算機(jī)和軟件的有效使用使 3 維有限元分析在電動(dòng)機(jī)新式結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用更加容易，和 2 維有限元分析[7]相比，3 維有限元分析使人們獲得了對(duì)電動(dòng)機(jī)新式結(jié)構(gòu)運(yùn)行情況的更好了解。在一些情況下,磁通分布狀態(tài)的復(fù)雜性使得應(yīng)用 3 維有限元分析是必需的[8].這篇論文涉及到直線VPRPMM。這種電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖.1 所示。電動(dòng)機(jī)的次級(jí)由排列的永磁體和帶鐵軛的鋁板組成。初級(jí)由安裝在電動(dòng)機(jī)底部并且被一個(gè)簡(jiǎn)單線圈連接的 C 型鐵心序列組成。2.仿真建模我們使用 ANASYS5.4 軟件包對(duì)一直線 VRPMM 進(jìn)行 3 維有限元分析的仿真建模。只使用半剖面模型是考慮到為了縮短分析的計(jì)算時(shí)間。設(shè)定 C 型鐵心側(cè)的周期性邊界條件垂直于電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向。電動(dòng)機(jī)對(duì)稱平面上的邊界條件是普通磁通。電動(dòng)機(jī)其他側(cè)的邊界條件是平行磁通。在 3 維立體表面上劃分的帶有周期條件的網(wǎng)格是對(duì)稱的。因?yàn)榻^大多數(shù)的場(chǎng)能量存儲(chǔ)在氣隙和永磁體中,在這些區(qū)域中劃分的網(wǎng)格具有更高密度。這個(gè) 3 維有限元分析模型如圖 2a.所示。圖 2b 顯示了一個(gè)計(jì)算得到的磁通分布狀況結(jié)果的例子。 3．靜力3.1 頓振推力頓振推力的產(chǎn)生是因?yàn)?C 型鐵心具有和磁體排列成一條直線的趨勢(shì),因?yàn)檫@樣穿過(guò)的磁路才是最大的。這種現(xiàn)象即使在沒(méi)有電流通過(guò)的時(shí)候也是存在的。電動(dòng)機(jī)的輸出力可以表示為磁場(chǎng)共能關(guān)于位移的偏導(dǎo)數(shù):在這里 F 表示力,W 表示磁場(chǎng)共能， x 表示位移。為了能夠用有限元進(jìn)行分析，我們把(1)式轉(zhuǎn)換成下面的式子：式子中 Δx 表示移動(dòng)部分的位移量,W(x+Δx)和 W(x)表示磁場(chǎng)共能在兩個(gè)末端的值。Figure3 顯示了對(duì)原型電動(dòng)機(jī)單相在無(wú)電流條件下的磁場(chǎng)共能 3 維空間的計(jì)算結(jié)果。原型電動(dòng)機(jī)的規(guī)格在第 5 節(jié)中給出。由（2）式得出的與之相對(duì)應(yīng)的頓振推力特征曲線如圖 4 所示。頓振推力的變化是非正鉉的，它的最大值和高度有關(guān)。然而,總頓振推力在多相電動(dòng)機(jī)中并不明顯。那是因?yàn)槊肯嗟耐屏Ψ植紶顟B(tài)在空間中相互位移，產(chǎn)生了一個(gè)抵消效果。3.2 合力合力的計(jì)算,也就是當(dāng)電流供給電動(dòng)機(jī)時(shí)產(chǎn)生的力，和頓近推力的計(jì)算是相似的。圖 5顯示了同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)在磁動(dòng)勢(shì)為 800A 的恒定相電流下每相磁場(chǎng)共能 3d 計(jì)算的結(jié)果。獲得的合力的特征曲線顯示在圖 6.在兩個(gè)領(lǐng)近磁體的中點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的位移量是零。4.相電壓VRPMM 的相端電壓是式子中 的 i 表示相電流,R 表示相線圈電阻，ψ 表示總耦合磁通,由相電流磁通和永磁體磁通兩部分構(gòu)成，因此L-相自感系數(shù),m-相線圈和永磁體的耦合磁通,n-每相線圈的繞數(shù)。L 和 m 的值能夠通過(guò) 3維有限元模型計(jì)算得出。永磁體構(gòu)成的磁通通過(guò)下面的關(guān)系式計(jì)算得出：式中 表示C型鐵心的橫截面積， 則是指磁通密度向量，假設(shè)該向量垂直于C型鐵心的對(duì)稱平面。則與位移相對(duì)應(yīng)的線圈和永磁體的耦合磁通值如圖7所示，由計(jì)算機(jī)計(jì)算得出。相自感系數(shù)由一個(gè)交互的和一個(gè)恒定的部分組成。它能夠由下面的關(guān)系式計(jì)算得出：Wco 表示有限元模型中與電流相關(guān)的磁共能。設(shè)定的有限元模型中 L 的最大和最小值在表1 中給出。5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)裝置顯示在圖 9 中。一個(gè)高精度的 LVDT 用來(lái)測(cè)量位移,一個(gè)負(fù)載單元用來(lái)進(jìn)行力的測(cè)量。在圖 8 中顯示的原型電動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)如下所示:C 型鐵心寬度 a=11.5mm 齒槽厚度 b=13mmC 型鐵心高度 c=20mm槽寬 d=10mm槽深 e=10mm磁體長(zhǎng)度 f=3.3mm磁體寬度 g=11.5mm鐵軛高度 j=10mm氣隙 k=1.5mm 磁體間距 m=10mm測(cè)試中實(shí)際電動(dòng)機(jī)頓振力測(cè)量值與仿真計(jì)算的結(jié)果比較如圖 4 所示，合力的測(cè)量值與仿真結(jié)果的比較如圖 6 所示。同樣的, 表 1 中包括了相自感系數(shù)的測(cè)量值。比較所有的數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)仿真計(jì)算的結(jié)果基本上與測(cè)量值是相吻合的。6.總結(jié)實(shí)驗(yàn)中，我們建立了一個(gè) 3 維有限元模型來(lái)模擬仿真直線可變磁阻式永磁電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)性能。我們使用這個(gè)模型對(duì)電動(dòng)機(jī)的一些特性和電機(jī)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果和實(shí)際電動(dòng)機(jī)的測(cè)量值進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示模擬仿真的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值相當(dāng)吻合，證明了在電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)研究中，用 3 維有限元方法對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行模擬仿真分析是可靠的，可以用它來(lái)作為設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的一種有效工具并鼓舞了它進(jìn)一步的發(fā)展。