畢業(yè)設(shè)計(jì)103直線可變磁阻式永磁電動(dòng)機(jī)的3維空間有限元分析

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 Kangsanant Department of Electrical Engineeting RMIT 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 。 考慮了相端電壓 的影響 .電動(dòng)機(jī)的 靜力 被計(jì)算出來 。 一臺(tái) 原型 電動(dòng)機(jī) 的測(cè) 試結(jié)果被用來做為比較 . 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 ,Weh1提出了 2 種橫向磁通永磁機(jī)器 (TFPMM).1993 年 ,Harris 和 Mecrow2,3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)。 Mitcham4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 Bork5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 .Huang6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@樣穿過的磁路才 是最大的 。這種現(xiàn)象 即使在 沒有電流通過的時(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 x表示 移動(dòng)部分的位移 量 ,W(x+ x)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)?每相的推力分布狀態(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，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 3維有限元 模型 計(jì)算得出。 永磁體 構(gòu)成的磁通 通過下面的關(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 用來測(cè)量位移 ,一個(gè)負(fù)載單元用來 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=13mm C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 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