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劣拿京交硕士学位论文盘式电机电磁场分析Electromagnetic Field Analysis of Disk Motor作者李晶导师张奕黄北京交通大学201 1年6月学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,提供阅览服务,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。保密的学位论文在解密后适用本授权说明学位论文作者签名 莲晶签字日期驯年/月胗日导师签名签字日期 //年多月,7日中图分类号TM359.9UDC-621.3学校代码10004密级公开北京交通大学硕士学位论文盘式电机电磁场分析Electromagnetic Field Analysis of Disk Motor作者姓名李晶导师姓名张奕黄学位类别工学学 号09122114职 称教授学位级别硕士学科专业电气工程及其自动化 研究方向电机与电器北京交通大学201 1年6月奕黄教授的精心指量心血,在这里我要感谢导师张奕黄老师。张老师治学态度严谨、知识渊博、对工作充满热情,这些都使我受益匪浅。两年的研究生学习生活经历是很短暂的,但张老师给了我许多锻炼自我的机会,在这里我要向张老师致以诚挚的敬意和衷心的感谢。在研究生阶段的学习、工作过程中,电机所曹君慈老师给了我大力的支持和无私的帮助,每次都耐心解答我的问题,在此特别表示感谢。感谢我的同窗好友黄绵、王峰、李泽源、刘琦、裴维娜、李硕等我的所有同学在我两年的学习、工作和生活中给予我的支持和鼓励,我会永远珍惜和怀念我们一起度过的美好的研究生生活。还要感谢所有曾经给予我帮助、鼓励和支持的师长、朋友和亲人,在学业即将完成之际,我向大家表示最诚挚的谢意。最后需要特别感谢我的父母,他们对我无微不至的关怀,对我的支持与鼓励,都是我前进的动力,感谢父母对我无私的爱。 .北京交通大学硕士学位论文 中文摘要中文摘要摘要随着生活水平的不断提高,人们对伺服驱动电机低噪声、薄型化、小型化的要求越来越高,同时对电机的结构和体积也有了较高的要求。盘式电机由于轴向尺寸短,外形相对较扁平,特别适用于安装空间有严格限制的场合,所以盘式电机在许多领域得到了广泛的应用。利用有限元法对盘式电机磁场进行分析与计算,在电机研究中占据至关重要的地位,它是整个电机设计和运行性能分析的基础。由于盘式电机结构定转子为平行结构,与传统的电机具有很大的差别。以场的观点,全面、系统地分析电机性能,以便进行电机设计、性能分析及仿真计算,这种方法有极大的优越性。本论文以盘式电机电磁场的有限元分析为主题开展研究工作,在系统总结电机电磁场以及工程电磁场数值计算理论的基础上,利用工程电磁场有限元分析软件Ansoft,建立盘式电机三维模型,对盘式电机的磁场分布进行了大量的仿真分析与研究,得到了盘式电机在瞬态情况下的电流、铁耗以及分析盘式电机不同位置不同考察路径的磁密曲线。一方面将单定子一单转子盘式电机有限元仿真结果与磁路法、实验结果进行对比,验证三维盘式电机仿真结果的正确性。另一方面将双定予一单转子与单定子二-单转子盘式电机进行仿真结果对比,更加直观显现出双定子单转子盘式电机的优越性。由仿真结果可知,本论文所建立的盘式电机三维有限元分析模型计算出的性能参数是准确可靠的,从而可以为系统详细地分析盘式电机内部电磁关系,研究其工作特点和内在规律,对盘式电机性能校核以及进行有效的电机电磁设计工作提供了可靠的依据。关键词盘式电机;三维有限元分析;Ansoft;磁密曲线分类号TM359.9completely analysis ofmotor perance using the view of field has a great advantageto the view ofpath.The thesis carry out research work by using Disk motor finite element analysis ofelectromagnetic field for the theme,it is on the basis of System Summary andengineering fields electromagnetic field theory numerical calculation,based on theengineering finite element analysis software Ansoft,This paper systematicallysummarized the fundamental principles and the development of electromagnetic field inthe motor and engineering electromagnetic field and do plenty of calculations ofmagnetic field distribution of the model Disk motor。In this paper,the 3D modle of Diskmotor Was established and its Transient state perance Was simulated by themagnetization curves obtained by finite element analysis,obtaining the actual current,flux density and coreloss and SO on。At the same time,single stator and single rotorcompare with double stator and single rotor,We Can conclude that double stator single. rotor is better than single stator and single rotor.From the simulate curves,we Call conclude that the calculation results approachedto the actual measure values SO that the model disk motor in this paper was providedwith highly precision。Furthermore,the above discussions provide precise and reliableanalysis for the design of disk motor,verification of perance,steady stateperance analysis,and remote control of the disk motor.KEYWORDSDisk motor;finite element analysis;Ansoft;flux density;CI。ASSN0TM359.9j£哀銮通厶堂亟±堂位途塞 目丞目录中文摘要一iiiABSTRACTivl 绪论。.11.1 盘式电机的发展情况及研究现状..11.2 盘式电机磁场的研究21.3 有限元电磁场分析-21.4 我国现有盘式电机的分类。41.5 课题研究的目的和意义..51.6 课题研究的内容。62 盘式电机电磁场分析理论基础..72.1 盘式电机的特点和结构72.1.1盘式电机的特点72.1.2盘式电机的结构72.2 盘式电机的生产工艺..92.3 电磁场分析理论基础.112.3.1麦克斯韦方程组..1l2.3.2磁场的边界条件。132.4 电磁场基本分析方法..142.5 盘式电机的磁路特点162.6 ,J、结.173 盘式电机的有限元分析.183.1 有限元法基本介绍.1 83.1.1有限元法的发展史与基本步骤..183.1.2有限元法的基本概念.193.2 Ansoft基本介绍...223.3 Ansoft三维电磁场有限元基础..233.4 小结.244 基于Ansoft的单定子.单转子盘式电机电磁场分析..254.1 盘式电机的三维建模..254.2 异步盘式电机三维模型的参数设置.274.2.1盘式电机的材料设置..27j£哀交通太堂亟±堂位i金塞 目丞4.2.2盘式电机的剖分设置.284.2.3边界条件.304.2.4求解器304.2.5运动问题的处理.304.3 盘式电机仿真结果324.4 小结.455 基于Ansoft的双定子.单转子盘式电机电磁场分析.465.1 双定子.单转子盘式电机电磁场仿真结果465.2 单定子.单转子与双定子.单转子仿真结果对比。525.2.1磁密云图与磁密矢量的对比..525.2.2运行性能的对比545.3 小结.556 结论..56参考文献57作者简历..59独创性声明_。60学位论文数据集。.61北京交通大学硕士学位论文 绪论1绪论1.1盘式电机的发展情况及研究现状盘式电机的定转子是平行结构,所以它的气隙磁场是轴向的,轴向磁场电机是盘式电机的另外一种叫法。在1921年,由法拉第发明的盘式电机是世界上第一台电机,由于盘式电机定转子平行结构,所以它们之间的存在轴向磁吸力,制造也比较复杂,所以在后来的发展中,它被常规电机也称径向磁场电机所渐渐取代。由于常规电机也并非那么完善,例如齿根部的“瓶颈”现象,导致电机的散热、铁芯利用率等问题,电机技术人员也一直被这些问题所困扰【I】。这些问题的解决必须要先从几何上彻底变化。随着高科技产品的兴起,例如计算机及其外围设备、机械手、工业机器人、数控机床等以及一些行业的特殊应用,例如说,卫星天线、雷达等跟踪系统的需要。随着生活水平的不断提高,人们对伺服驱动电机低噪声、薄型化、小型化的要求越来越高,同时对电机的结构和体积也有了较高的要求。盘式电机具有转动惯量小、功率密度高、工艺简单、硅钢片利用率高、结构紧凑的特点,并且盘式电机轴向尺寸短,外形相对较扁平,特别适用于安装空间有严格限制的场合,所以盘式电机的研究和生产也越来越多。因此,盘式电机在国内外迅速地得到了广泛应用。所以现在对盘式电机的研究越来越多。盘式电机定、转子铁芯的生产是首先要重视的问题,它的铁芯制造方法在许多国家都有专利发表。到目前为止,我国长春第二电机厂、湖南跃进机械厂、安徽芜湖电工机械厂以及许多厂家都生产了这种由电脑控制的专用冲卷机。传统电机制造中的冲片、叠片、压装等工艺都被取代,生产速度也大大提高;与此同时可节省圆片的四角及工艺要求的四周边宽料,硅钢片利用率也因此将近达到100%,不仅解决了铁芯制造的难题,同时材料利用率也大大提高,因此生产率也.有了较大的提高。 。其次是关于盘式电机定、转子之间存在轴向磁吸力的问题,轴向磁吸力的克服方法主要采用的方法有双气隙,例如泵或风机,将叶轮与转子合成一体,磁吸力由于负载而达到平衡;鼠笼型感应电动机则通过环形的导电幅板代替转子导条,不必要的轴向力因此而被消除;同时也可选用合适的推力轴承结构来承受磁吸力。同时也可变害为利,利用轴向磁吸力将盘式电机制成制动型感应电机。盘式电机缺点被克服,为其进一步研究排除了障碍,各类盘式电机的研究和生产也因此逐渐发展起来¨J。绪论电机是建立在电磁感应定律基础上的一种机械,它的内部空间存在着电磁场,电磁场在电机中不同媒质中的分布、变化及电流的交链情况,则决定了电机运行状态和性能,因此,设计、研究电机就必须对电机中电磁场进行分析和计算。盘式电机再度兴起至今有四十多年的历史,首先从国外发展起来,但有关磁场研究的报道却很少。近十余年来,国内外对盘式电机磁场的研究逐渐发展起来。1985年,蒋豪贤求出圆盘式轴向磁场电机气隙磁通密度,通过利用Laplace方程的方法,并给出计算公式,表明轴向磁场为旋转磁场,气隙磁通密度沿圆盘面呈正弦分布,沿径向减小,沿轴向衰减。1991年顾其善、侯书红研究了三相盘式感应电机内部磁场,二维分布磁路模型被提出,沿径向分成数段,轴向磁场电机应用在各段上将谐波平衡法。通过分布磁路模型,通过应用所编制的轴向磁场电机性能计算程序。不仅可以迅速确定轭磁密、齿磁密、气隙磁密沿径向的分布,以及整个轴向磁场电机气隙平面上的磁场分布,而且同时可以给出它的工作性能和轴向电磁线的分布。通过对实验室~台四极轴向磁场点击进行了试验,计算值与空载磁化电流的实验值非常接近。程明、周鹦等提出计算盘式电机磁路及参数通过沿径向分段法来,求出的功率因数、效率、磁化曲线和实验值相符。王琳、何全普等进行盘式感应电机磁场分布的计算应用的是分环法,将三维磁场计算问题化为有限个二维问题求解。通过电磁场有限元计算,轴向磁场电机磁场沿径向的分布规律被揭示,结论和其他给出的盘式电机结论是一致的。黄开胜、何全普论述了交流盘式电动机磁路计算的优化设计法以及分环计算法,同时给出优化设计结果以及优化设计框图,将轴向磁场电机的磁场研究也更加深入。吴慧燕、程明、周鹦研究了单相盘式感应电动机,并给出了确定单相盘式感应电动机结构的尺寸方法,磁路计算及分析设计流程图和参数计算特点pJ。除此之外,我国对盘式永磁电机磁钢尺寸的计算、工作点的确定等也有所研究。至此,我国逐步掌握了各类盘式电机磁场的特点及研究方法。1.3有限元电磁场分析上个世纪四十年代,有限元的思想出现,在计算机出现以后,它才被应用到工程中,1960年,美国的CloughRW在一篇名为“平面应力分析的有限元法“的论文中首先提出“有限单元法”【4】,以后的若干年中,固体力学扩展到电磁学、传热学和流体力学。分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘塑性和复合材料,由静力问题扩展到波动问题、动力问题和稳定性问题,从弹性力学平面问题扩展到空2
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