基于ANSYS8.0的永磁直线电机的有限元分析及计算

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
 
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

直线电机的工作原理
   直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能、而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是将一台旋转电机沿径向剖开，并展成平面而成，如图1-2所示。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。

课题的意义
今年来随着工业的发展.新型的高速、高精密、大行程、大推力的进给系统的需求越来越多.而传统的以“旋转电机 + 机械变换环节”方式进行的进给系统已不能满足现在工业的要求,新型的永磁直线电机具有的“零传动”的良好性能和驱动技术的成熟,使其得到了越来越多的关注。为了满足工程领域对新型高性能直线电动机不断增加的需求，许多新的技术和设计方法开始在直线电动机中得到应用。通过计算机辅助，采用有限元分析方法对直线电机进行设计具有良好的发展前景。
用传统的解析法对永磁直线电机进行设计和分析，需要简化很多条件，忽略很多实际因素的影响，往往不够精确，有限元分析作为近年来发展迅速的数值分析方法，在电磁场方面，能够精确的计算电机的各种参数，为此本课题选择ANSYS软件对永磁直线电机进行有限元的分析，希望通过对永磁直线电机进行有限元建模，来近一步提高对永磁直线电机的设计的研究。

论文的主要工作
论文的主要工作如下:
1．建立永磁直线电机样机在ANSYS8.0上的有限元模型。
2．利用ANSYS8.0 对2D有限元模型的静态磁场分析，给出2D磁力线图等数据
3．利用ANSYS8.0对2D有限元模型的力场进行分析计算，得到直线电机的推力及法向力，推力系数，直线电机的波动力等数据
 

目 录
中文摘要 i
英文摘要 ii
致谢 iii 
目录 iv
表列 x
图列 xii
第一章 绪论 1
1.1  直线电机的发展和应用 1
1.2  直线电机的分类 3
1.3  直线电机的工作原理 4
1.4  有限元分析及相关软件的介绍 5
1.4.1有限元分析简介 7
1.4.2通用有限元软件ANSYS8.0 7
1.5 课题的主要意义和论文的主要工作 7
1.5.1课题的主要意义 7
1.5.2论文的主要工作 8
第二章  ANSYS 8.0及其在电磁场有限元计算中的应用 9
2.1  电磁场的有限单元法 9
2.1.1 基本方程 9
 2.1.2 位函数及边界条件 9
2.1.3 有限元法的求解 11
2.2   电磁力计算方法 12
2.2.1 虚功法 12
       2.2.2 MAXWELL张量法 12
2.3  ANSYS有限元建模 14
2.4  网格的划分和单元的选定 17
      2.4.1网格的划分 17
      2.4.2单元的选定 17
2.5  边界条件的加载 18
第3章 永磁直线电机的电磁场有限元仿真分析…………………………………………………………………………………….  20
3.1 永磁直线电机的磁场分析方法概述 20
3.2 永磁直线电机的磁场有限元仿真模型 20
3.2.1永磁直线电机的结构 20
3.2.2永磁直线电机磁场有限元模型的建立 21
3.3 永磁直线电机的磁场分析……………………………………………………………………………………. ……………………………… 23
        3.3.1永磁直线电机边端效应 23
　　    3.3.2永磁直线电机齿槽效应 24
    3.3.3永磁直线电机磁场变化 24
第4章  永磁直线电机的力场特性的有限元仿真分析………………………………………………………………………   25
4.1 永磁直线电机的矢量控制 25
4.2 推力和法向力与电流的大小的分析 27
         4.2.1推力和法向力与电流的大小关系 27
          4.2.2 推力系数 28
4.3 推力与法向力与电机电流相位的分析    28.
          4.3.1推力与法向力电流相位关系 28
4.4 推力与法向力的波动问题 28
4.4.1永磁电机空载时的输出力 .29
4.4.2永磁电机额定电流下的输出力 31
第五章　结论与展望 34
参考文献 35
附录 ANSYS8.0使用说明 36

                     
表列

表2－1 材料特性 14
表2－2 可选择单元类型 17
表3－1 永磁直线电机参数 21
表4－1 推力和法向力随电流大小变化数据 28
表4－2 推力和法向力随电流相位变化数据 30
表4－3 空载时推力和法向力波动变化数据 31
表4－4 额定电流下推力和法向力波动变化 32

图  列
图1—1 直线电机按工作原理的分类 3
图1－2 由旋转电机演变为直线电机的过程 4
图1－3 直线电机的工作原理 4
图1－4 有限元模型图 4
图1－5 最大切应力等应力线图  5
图2－1 永磁直线电机的2-D实体 15
图2－2 永磁直线电机的3-D实体模型 15
图2－3 定义完材料属性后的实体模型 16
图2－4 永磁直线电机的网络划分 17
图2－5 加载力标志和边界条件 17
图2－6 PMLSM的电流密度 17
图2－7 PLANE53 18
图2－8 边界条件示意图 19
图3－1 平板永磁直线电机的结构 21
图3－2  PMLSM绕组接线圈 21
图3－3 永磁直线电机的有限元模型 21
图3－4 铸铁的B-H曲线 22
图3－5 初级铁芯的B-H曲线 22
图3－6 网格分布（局部）         22
图3－7 永磁直线电机磁力线图 22 
图3－8 永磁直线电机磁通密度矢量图 22
图3－9 永磁直线电机磁场强度矢量图 22
图3－10 永磁电机左边端效应 23
图3－11 永磁电机右边端效应 23
图3－12 永磁体单独作用的磁力线图 23
图3－13 额定电流单独作用下的磁力线图 23
图3－14 合成磁力线图 23
图4－1 矢量变换 26
图4－2 推力随电流大小变化曲线   27
图4－3 法向力随电流大小变化曲线 27
图4－4 推力随电流相位变化曲线图 28
图4－5 法向力随电流相位变化曲线  28
图4－6 初级移动的过程示意图 28
图4－7 推力波动 29
图4－8 法向力波动 29
图4－9 额定电流下推力波动 31
图4－10 额定电流下法向力波动 32