Automation & Instrumentation 2009(2)
创意与实践
基于 ANSYS的永磁电机的气隙磁场
分析
定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析
文章编号:1001-9944(2009)02-0054-03
雷少林 1,张 俊 2,忽敏学 2,石 慧 2,赵小明 2
(1.总装装甲兵军代局驻天津地区代表室,天津 300131;2.天津航海仪器研究所,天津 300131)
摘要:采用三维有限元
方法
快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载
对永磁电机的气隙磁场进行分析。 计算了不同结构材料和采用
不同气隙长度时,电机气隙磁场的分布,给出了气隙和转子的磁场分布图。 实验结果证明
了分析结果的正确性,由此,提高了永磁电机的设计准确度。
关键词:永磁电动机;有限元分析;电磁场
中图分类号:TM351 文献标志码:A
Air-gap Magnetic Field Analysis of PM Based on ANSYS
LEI Shao-lin1,ZHANG Jun2,HU Min-xue2,SHI Hui2,ZHAO Xiao-ming2
(1.Tianjin Area Military Representative Office,Armored Forces Military Representative Bureau of The General Arma-
ments Department,Tianjin 300131,China;2.Tianjin Navigation Instrument Research Institute,Tianjin 300131,China)
Abstract:The magnetic field of permanent magnetic motor is numerically analyzed according to 3-dimensional finite
element method. The magnetic field distributions in the air-gap of the motor under different structure material and
different air-gap are visually shown. Compared with measured values,the calculated values are well agreed,and the
accuracy of design is improved.
Key words:permanent magnetic motor;finite element analysis;electric magnetic field
收稿日期:2008-11-24;修订日期:2009-01-08
作者简介:雷少林(1963-),男,工程师,从事惯性元件质量监督和检验验收工作;张俊(1971-),男,高级工程师,研究方向为
惯性仪表设计。
永磁电机的气隙磁场计算是电机设计的关键。
对电机的三维气隙磁场采用磁路法分析计算, 计算
结果往往不够准确,影响电机设计。 在工程应用中,
一般采用实际测量的方法, 即先加工好所有电机磁
路结构零件,然后使用高斯计实测气隙磁场。由于需
先加工好用于实测气隙磁场的结构零件, 非常费时
费事,同时对于电机的优化设计也非常不便。
1 电机的基本结构
本文使用 ANSYS Maxwell 3D 有限元软件来
分析永磁电机的气隙磁场[1]。 ANSYS Maxwell 3D 能
够对电机三维电磁场进行准确的分析计算, 为电机
的仿真、 优化以及内部磁场的分析提供了强有力的
工具[2]。 永磁电机的基本结构如图 1 所示。
电机转子上粘有环形多极的钐钴磁钢, 永磁体
为轴向磁化,从而在气隙中产生多极的轴向磁场。转
子环为导磁材料,即作为永磁体的磁路,又作为电机
转子的主要结构件。电枢为无铁心,仅由导体制成圆
环盘形。 电枢绕组的有效导体在空间沿径向呈辐射
状分布。由于电枢绕组直接放置在轴向气隙中,电机
54
自动化与仪表 2009(2)
创意与实践
的气隙较大。 为克服单边磁拉力、减少漏磁,电机采
用了双边永磁体结构。此外,采用双边永磁体结构比
单边永磁体结构的气隙磁密高, 且改善了极面下气
隙磁密的均匀性。 因此,电机具有以下特点:电枢采
用无铁心电枢结构,不存在齿槽引起的转矩脉动,转
矩输出平稳;不存在磁滞和涡流损耗,可达到较高的
效率;电枢绕组电感小,具有良好的换向性能;电枢
绕组两端直接与气隙接触, 有利于电枢绕组散热,
可取较大的电负荷,有利于减小电机的体积[3]。
2 永磁电机磁场分布的计算和分析
2.1 永磁电机三维电磁场有限元计算的原理
在永磁电机内部,矢量磁位满足如下方程[4]:
塄×(v塄×A)=J (1)
其中:A=
AX
AY
AZ
塄
塄
塄
塄
塄
塄
塄
塄
; J=
JX
JY
JZ
塄
塄
塄
塄
塄
塄
塄
塄
; v=
VX 0 0
0 VY 0
0 0 VZ
塄
塄
塄塄
塄
塄
塄
塄塄
塄
将式(1)展开,可得到如下偏微分方程:
y vz
Ay
x -
Ax
y塄 塄塄 塄- z vy Axz - Azxz z塄 塄=Jx (2)
z vx
Az
y -
Ay
zz z塄 塄- x vz Ayx - Axyz z塄 塄=Jy (3)
x vy
Ax
z -
Az
xz z塄 塄- y vx Azy - Ayzz z塄 塄=Jz (4)
在永磁电机内部,能量泛函 F(A)为
F(A)= 蓓
V
[ f ]dxdydz= 蓓
V
1
2 (BH)-J蓓 蓓A dxdydz (5)
这里,JA=JXAX+JYAY+JZAZ
BH=BXHX+BYHY+BZHZ = vXB
2
X+ vYB
2
Y+ vZB
2
Z (6)
根据能量最小原理,泛函 F(A)变分应为 0,即:
由于 δAx,δAy,δAz除了在 Drichlet 上为 0 外,在
其它任何地方都是任意的,因而,式(7)中前 3 个被
积式应分别为 0,即,
f
Ax
- x
f
Axxz 塄-
y
f
Axyz 塄-
z
f
Axzz 塄=0 (8)
f
Ay
- x
f
Ayxz 塄-
y
f
Ayyz 塄-
z
f
Ayyzz 塄=0 (9)
f
Az
- x
f
Azxz 塄-
y
f
Azyz 塄-
z
f
Azzz 塄=0 (10)
式(8)、(9)、(10)与式(2)、(3)、(4)是等价的。注
意到式(7)中的最后 3 项被积式可看作是 3 个向量
的散度,根据高斯定理,即:
蓦
V
(塄·A)dv= 蓦
S
A·ds
可将式(7)改写成:
蓦
S
f
Axx
ax+
f
Axy
ay+
f
Axz
az蓓 蓦δAxds+
蓦
S
f
Ayx
ax+
f
Ayy
ay+
f
Ayz
az蓓 蓦δAyds+
蓦
S
f
Azx
ax+
f
Azy
ay+
f
Azz
az蓓 蓦δAzds=0 (11)
在 Dirichlet 边界上,δAx,δAy,δAz被定义为 0,式
(11) 自动满足。 而在 Neumann 边界上, 由于 δAx,
δAy,δAz是任意的,式(11)中的 3 个被积项应分别为
0,即:
f
Axx
ax+
f
Axy
ay+
f
Axz
az=0 (12)
f
Ayx
ax+
f
Ayy
ay+
f
Ayz
az=0 (13)
f
Azx
ax+
f
Azy
ay+
f
Azz
az=0 (14)
式(8)、(9)、(10)就构成了 Neumann边界条件。
2.2 永磁电机三维电磁场有限元计算与分析
采用目前广泛使用的 CAE 软件 ANSYS 对电机
作三维有限元电磁场分析。首先计算分析,在电机永
磁体采用钐钴环形永磁体(2:17 型,厚度 2.7mm),
转子环采用不锈钢 2Cr13,作为永磁体的磁路,电机
气隙长度为 2mm的情况下,电机的三维电磁场。
纯永磁体产生的磁场如图 2所示。 由于电机转
子结构复杂,气隙磁场显示出明显的三维分布特性。
图 1 永磁电机的结构示意图
Fig.1 Structure of PM motor
δF(A)= 蓓
V
f
Ax
- x
f
Axxz 塄- y fAxyz 塄- z fAxzz 塄蓓 蓦δAx塄 塄dxdydz+
蓓
V
f
Ay
- x
f
Ayzz 塄- y fAyyz 塄- z fAyzz 塄蓓 蓦δAy塄 塄dxdydz+
蓓
V
f
Az
- x
f
Azxz 塄- fy fAzyz 塄- z fAzzz 塄蓓 蓦δAz塄 塄dxdydz+
X
电枢绕组 定子架 导磁环
永磁体
转子环
螺母
轴
O Y
转子
蓓
V
f
x
f
Axx
·δAxz 塄+ fy fAxy ·δAxz 塄+ fz fAxz ·δAxz 塄蓓 蓦dxdydz+
蓓
V
f
x
f
Ayx
·δAyz 塄+ fy fAyy ·δAyz 塄+ fz fAyz ·δAyz 塄蓓 蓦dxdydz+
蓓
V
f
x
f
Azx
·δAzz 塄+ fy fAzy ·δAzz 塄+ fz fAzz ·δAzz 塄蓓 蓦dxdydz=0
(7)
55
Automation & Instrumentation 2009(2)
创意与实践
图 5 气隙磁密波形图
Fig.5 Waveform of magnetic field in air-gap
气隙磁密沿径向的剖视图如图 2(a)所示,即图
1 中通过 OX 轴的电机对称面上的磁密分布图。 气
隙磁密沿轴向的剖视图如图 2(b)所示,即图 1 中通
过 OXY面的电机的磁密分布图。 一对磁极下,气隙
中心截面处的气隙磁密波形如图 3所示。
从图中可以看出纯永磁体作用下的气隙磁密的
幅值约为 0.5T。
在完成上面分析的基础上, 进一步分析气隙长
度、 结构材料、 永磁体厚度等对电机气隙磁场的影
响。在其它参数不变的情况下,分析气隙长度对气隙
磁场的影响。 将气隙长度从 2mm增大到 2.5mm。 重
新计算气隙磁场,其气隙磁密的波形图如图 4所示。
气隙磁密的幅值为 0.45T。
在其它参数不变的情况下,分析转子环材料对气
隙磁场的影响。将转子环材料从 2Cr13改为 1J50。重
新计算气隙磁场,计算得气隙磁密的幅值为 0.55T。
在其它参数不变的情况下,分析永磁体厚度对气
隙磁场的影响。将永磁体的长度从 2.7mm改为 3mm。
重新计算气隙磁场,计算得气隙磁密的幅值为 0.51T。
3 实测结果
按图 1结构,研制了一台样机。永磁体采用钐钴
环形永磁体(2:17 型,厚度 2.7mm),转子环采用不
锈钢 2Cr13, 作为永磁体的磁路。 电机气隙长度为
2mm。将电机安装在转台上,高斯计的探头置于电机
气隙中,并与磁场方向垂直,旋转转台,每转动 1°,
记录下一次高斯计的读数,转动一周后,将所有数据
绘制在表格上。 其中,将一对极下的数据,绘制成气
隙磁密波形图,如图 5所示。
从图中可以看出气隙磁密的幅值约为 0.5T。
4 结语
利 ANSYS软件,根据本文介绍的电机结构对电
机的气隙磁场进行电磁场分析和计算, 全面了解了
电机材料、结构参数等因素对电机气隙磁场的影响。
从样机磁场的仿真分析结果和实测结果对比可看
出:仿真结果和实测结果基本一致。
参考文献:
[1] Saeed Moaveni. 有限元分析:ANSYS 理论与应用[M].北京:电子
工业出版社,2003.
[2] 唐兴伦,范群波. ANSYS 工程应用
教程
人力资源管理pdf成真迷上我教程下载西门子数控教程protel99se入门教程fi6130z安装使用教程
[M].北京:中国铁道出版
社,2003.
[3] 肖俏伟.圆柱形永磁同步直线电动机气隙磁场分析[J].微电机,
2007,40(9):18-22.
[4] 刘国强 .工程电磁场有限元分析 [M].北京 :电子工业出版社 ,
2005.
■
图 3 气隙磁密波形图
Fig.3 Waveform of magnetic field in air-gap
导磁体 气隙磁钢
(a) (b)
图 2 纯永磁作用下转子磁轭和电机气隙中的磁场分布
Fig.2 Magnetic field distributions in the air-gap
under permanent magnet
图 4 气隙磁密波形图
Fig.4 Waveform of magnetic field in air-gap
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
磁
场
密
度
/T
0 50 100 150 200 250 300 350 400
角度/(°)
距离/(mm)
磁
场
密
度
/T
BZ
0 .298 .596 .894 1.192 1.49 1.788
.149 .447 .754 1.043 1.341 1.639 1.941
5.082
4.061
3.045
2.029
1.013
-0.002
-1.018
-2.034
-3.050
-4.066
-5.082
(×10-1)
(×10-2)
距离/(mm)
磁
场
密
度
/T
4.49
3.61
2.71
1.81
0.91
0.00
-0.89
-1.79
-2.69
-3.59
-4.49
0 .224 .440 .672 .896 1.123
.112 .336 .56 .784 1.008
(×10-1)
(×10-2)
56