直线电机二维静态磁场分析.docx
图5T菜单过滤参数选择图5-2定义单元类型图5-3单元类型选项Fig.5-2Defineelementtype5.1直线电机二维静态磁场分析为了简化分析过程，假设本文分析模型边界上没有漏磁（即磁通量与边界平行）。原有直线电机的外铁芯是分成两块，现在合并成一块可以减小漏磁通，改善了直线电机的性能。原有装配图中直线电机的磁回路比拟复杂，为分析方便将其简化为二维轴对称模型。二维静态磁场的有限元分析有以下几个步骤：1 .创立物理环境2 .建立模型，对模型的不同区域赋材料特性，划分网格3 .施加边界条件和载荷4 .求解5 .后处理（查看计算结果）5.1.1 创立物理环境从主菜单中选择MainMenu：PreferenCe命令，将翻开PreferenceofGUIFiltering（菜单过滤参数选择）对话框，选中Magnetic-Nodal复选框，单击OK按钮确定。定义单元类型和选项：根据论文分析模型的结构选择VectQuad4nodel3单元表示所有区域，包括铁芯、线圈、Fig.5-3Theoptionsofelementtype线圈骨架及空气（如图5-2）。相应操作为:MainMenu>Preprocessor>Ele11entType>AddEditdelete>Addo文中把磁路模型简化成二维轴对称来分析，所以在单元类型选项中选择轴对称，如图5-3所示：5.1.2 磁路模型的建立及网格划分定义材料特性：直线电机内部结构比拟复杂，由多种材料构成，如内铁芯、外铁芯、线圈、线圈骨架、空气等。在有限元求解过程中为了考虑实际材料特性的影响，需要对直线电机内部不同面域设置并分配相应的材料属性（如图5-4）:1.线圈骨架（Y1.12）：相对磁导率MURX=1.0；2 .线圈（铜漆包线）：相对磁导率MlJRX=I.0；3 .空气:相对磁导率MURX=1.0；_MireMatecdModelBehavnrMatec坦GdtFiMOdteMebMatEWxfefcDfnedMatWMoNunber1MatenJMxMN1.mber2XMatefWJMOdaKrtie3BHQjveMxMA*4ate.Famntes£Efectroriugretcs渝ReuthePetmeaWRyConsUntOrthotrcpc.CoercNeFacegReUtwePcrTmtMtyjgResKtMtylossTangent2J图5-4定义材料特性Fig.5-4Definingmaterialsperformances4.内铁芯和外铁芯（工业纯铁DT4）：BT磁化特性曲线（如图5-5,TableDtaTl-O.00BBTablePreviewANSYS；HAY2220111S：O2：26图5-5纯铁（DT4）磁化曲线iron5-6所示）。Fig.5-5MagnetizationcurveofpureironBHCuveforMatenNumber4建模：由于将直线电机磁路简化为二I维轴对称模型（对称轴为模型左边线），再结合磁路结构尺寸，利用ANSYS中的Modeling功能建立磁路的二维模型。磁路模型包括线圈骨架、线圈、铁芯、空气，如图5-7所示：图5-8划分网格后的模型Fig.5-8Themodelaftermeshing将上面定义的各种材料属性分别赋予相应的几何面域，然后通过GIUe命令将具有不同材料属性的各面域融合到一起，使各结构边界融合、粘结为一体，使第二类边界条件得到满足。有限单元网格化分：采用智能网格划分，精度为5,并按材料属性显示面。如图5-8所示。5.1.3定义边界条件设置电机参数，如图5-9所示。对于二维静态磁场分析来讲，边界条件和载荷可以施加在实体模型上或者有限元模型上。在有限元分析过程中，ANSYS可以自动把施加在实体模型上的边界和载荷转移到有限元模型上。边界条件:在铁芯和骨架支撑边缘上加边界条件AZ=O（如图5T0所示外边缘定义为零磁势边界条件），满足第一类边界条件即齐次边界条件;施加载荷:对绕组区域（材料编号为2）施加电流载荷，根据计算公式We心二手在acoil电流密度值后面输入5.125e5,如下列图5-11所示。图5-11施加电流密度对话框Fig.5-11Thewindowofsettingcurrentdensity5.1.4求解及后处理求解：从主菜单中选择MainMenu>Solution>Solve>Electromagnet>StaticAnalysis>0pt&Solv,接受默认设置，单击OK确定。直到出现"Solutionisdone!,提示，表示结束。保存文件。RSTS-O三MX三.100B-031B5B-O5.556B-OS.927B-0S.13OB-O4.2O4B-O4.341B-04.278B-O4.352B-O4.369B-04.426B-O4.5018-04.539B-O4.575B-O4.¢128-04.686B-O4.723B-O4.7MB-04.S34B-O4.S718-04.9e三-04.983B-O4图5J2磁力线分布图5-13磁通量密度分布Fig.5-12Magneticforcelinedistribution5-13MagneticfluxdensitydistributionAKSYS10.0NAT“20111OO133YBCTO®5WP三2SUB-1TlXB«2E1.DFlZONIV-.9080BSNAX=32489.9006536117221106301440180502“60252702989032489AMSTS10.0m26201109:38:OBXOPAXiSCCUTIC®8T三F-2SUB三1I三=2FWIgCNCAVOlSNX=1.326_.0F.1473242294647.441971三.589295三7366l9.883942=1.031=1.1791.326图5-14磁场强度分布Fig.5-14Magneticintensitydistribution图5-15电磁力分布Fig.5-15Magneticforcedistribution5.3.5分析由直线电机的工作原理可以知道，模型中线圈处的磁力线、磁通量、场强、受力分布越均匀，直线电机的工作性能越好。在以上四幅图中，线圈中上部的磁力线和磁通量分布较为均匀，下部由于铁芯局部漏磁，而导致不均匀；而场强和电磁力那么是在空气和线圈骨架连接处分布较大，其他地方分布较小。这是由于直线电机受到材料导磁性能不同、铁芯边缘存在漏磁现象等因素的影响，从而造成的。由分析可得，可以通过减小线圈局部的距离、选用优质的材料等措施缓解。但在实际选用的时候，还应综合考虑材料的重量、线圈通电受热、以及线圈骨架受热膨胀等方面的问题。
