永磁同步发电机的有限元分析
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感谢支持!(Thank you fordownloading and checking it out!)永磁电机有限元仿真流程一、永磁电机概述永磁电机简介:永磁电机是一种将电能转化为机械能的电动机,其特点是在转子或定子上安装有永磁体,使得电机具有较高的转速和效率。
永磁电机的工作原理是利用永磁体产生的磁场与电流产生的磁场相互作用,从而实现电能到机械能的转换。
永磁电机在现代工业中应用广泛,包括电动汽车、风力发电、机器人等领域。
永磁电机的类型及特点:根据永磁体的类型和安装位置,永磁电机可以分为以下几种类型:(1)永磁同步电机(PMSM):永磁同步电机具有转速与电网频率同步的特点,其转子上的永磁体与定子上的绕组产生的磁场相互作用,从而实现电能到机械能的转换。
永磁同步电机具有高效率、高功率密度的优点,广泛应用于电动汽车、风力发电等领域。
(2)无刷直流电机(BLDC):无刷直流电机采用电子换向器代替传统的机械换向器,从而实现了电机的无刷化。
其转子上的永磁体与定子上的绕组产生的磁场相互作用,实现电能到机械能的转换。
无刷直流电机具有高效率、高转速、低维护成本的优点,广泛应用于电动工具、家用电器等领域。
(3)永磁感应电机(PMIM):永磁感应电机是一种采用永磁体提高感应电机效率的电机。
其转子上的永磁体与定子上的绕组产生的磁场相互作用,实现电能到机械能的转换。
永磁感应电机具有高效率、低噪音、低振动的特点,广泛应用于白色家电、工业自动化等领域。
各类永磁电机具有不同的特点和应用领域,因此在实际应用中需要根据具体需求选择合适的永磁电机。
永磁同步电机的有限元模型
永磁同步电机的有限元模型是通过将电机分割成许多小的单元,
每个单元都可以用数学模型来描述电磁和机械特性。
具体而言,有限
元模型主要包含三个方面的内容:电磁方程、磁路方程和机械方程。
其中,电磁方程用于描述电机的电磁特性,磁路方程用于描述电机的
磁场分布,机械方程用于描述电机的机械特性。
电磁方程主要包括磁场方程、电场方程和运动方程。
其中,磁场
方程描述了磁场的生成和变化,电场方程描述了电势的分布和变化,
运动方程描述了电机的运动状态和电势之间的关系。
磁路方程主要针
对电机的磁路结构,通过磁通量连续性条件和磁动势平衡条件,求解
出电机中各个磁路单元的磁通量和磁动势分布。
机械方程则包括动力
学方程和转矩方程,用于描述电机的机械性能,包括加速、减速、转
矩和扭矩等物理量。
通过对这些方程进行数值求解,可以得到各个单元的电磁、磁路
和机械状态参数,进而得出整个电机的电磁、磁路和机械性能。
这样,就可以用有限元模型来模拟和分析永磁同步电机在不同工况下的性能
表现,如转速、转矩、效率和功率因数等,为电机的设计和优化提供
基础和参考。
永磁直线电机电磁设计与有限元仿真分析永磁直线电机是一种将电能转换为机械能的装置,具有高效率、高速度、高精度等优点,广泛应用于工业自动化、航空航天、医疗器械等领域。
电磁设计与有限元仿真分析是永磁直线电机设计过程中的重要环节,本文将从电磁设计和有限元仿真分析两个方面进行讨论。
首先,永磁直线电机的电磁设计是指通过合理的电磁参数设计来实现电机的性能要求。
电磁设计的关键参数包括磁极形状、磁极材料、磁极间隙、线圈结构等。
其中,磁极形状是影响电机磁场分布的重要因素,常见的磁极形状有平行矩形形、扇形等,根据具体的应用需求选择合适的磁极形状。
磁极材料的选择也是电磁设计的关键,常用的磁极材料包括稀土磁铁、硅钢等,不同的磁极材料具有不同的磁化特性和磁导率,需要根据具体的应用要求进行选择。
此外,磁极间隙和线圈结构的设计也会影响电机的性能,需要根据具体的应用需求进行合理设计。
其次,有限元仿真分析是指利用有限元方法对永磁直线电机进行电磁场仿真分析,以评估电机性能和优化电机设计。
有限元方法是一种数值计算方法,通过将电机的结构离散化为有限个元素,并建立数学模型来求解电磁场分布。
有限元仿真分析可以提供电磁场分布、磁场强度、磁力等参数的预测结果,帮助设计人员了解电机的工作原理和性能特点。
同时,有限元仿真还可以进行参数优化,通过改变电机的设计参数来优化电机性能,如提高功率密度、减小磁场漏磁等。
在进行有限元仿真分析时,需要根据电机的几何结构和材料特性建立有限元模型,并设置合适的网格尺寸和边界条件。
然后,利用有限元软件进行计算,得到电机的电磁场分布和相关参数。
根据仿真结果,可以评估电机的性能指标,如输出转矩、功率密度、效率等,并进行优化设计。
综上所述,永磁直线电机的电磁设计与有限元仿真分析是电机设计过程中的重要环节。
通过合理的电磁设计和有限元仿真分析,可以提高永磁直线电机的性能和效率,满足不同领域的应用需求。
3.6MW半直驱高压永磁同步发电机电磁有限元分析摘要:本文阐述了3.6MW半直驱高压永磁同步发电机的优点、电磁方案,并对电磁方案中参数进行空载、负载、短路进行有限元分析。
关键词:3.6MW 半直驱高压永磁同步发电机电磁有限元分析永磁电机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率因数高、电机形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。
而半直驱高压永磁同步发电机又是风力发电机的发展方向之一。
我公司成功开发了3.6MW半直驱高压永磁风力发电机。
该电机在设计结合高压电机和永磁电机设计的原则,既具备“高效、节能、降耗”的特点,又有着“科学、绿色、低碳”的环保优势,符合国家能源政策和环保政策的要求,同时该产品解决了无低电压穿越问题,更容易并网,是风力发电机未来发展的必然趋势和方向。
一、永磁同步发电机的基本原理、技术特点、适用场合(1)基本原理永磁同步风力发电的基本原理,就是利用风力带动风力机叶片旋转,拖动永磁同步发电机的转子旋转,实现发电。
永磁同步风力发电系统和笼型变速恒频风力发电系统类似,只是所采用的发电机为永磁式发电机,转子为永磁式结构,不需外部提供励磁电源,提高了效率。
它的变频恒速控制是在定子回路中实现的,把永磁同步发电机的变频的交流电通过变频器转变为电网同频的交流电,实现风力发电的并网,因此变频器的容量与系统的额定容量相同。
(2)技术特点在过去的几十年里,由于永磁材料性能和电力电子装置的改善,永磁同步发电机已变得越来越具吸引力了。
采用永磁同步发电机的风力发电系统具有以下特点:1)永磁同步发电机系统不需要励磁装置,具有重量轻、效率高、功率因数高、可靠性好等优点;2)变速运行范围宽,即可超同步运行也可以亚同步运行;3)转子无励磁绕组,磁极结构简单、变频器容量小,可以做成多极电机;4)同步转速降低,使风轮机和永磁发电机可直接耦合,省去了风力发电系统中的齿轮增速箱,减小了发电机的维护工作并降低噪声,使直驱永磁风力发电机系统。
第29卷第6期中国电机工程学报V ol.29 No.6 Feb.25, 20092009年2月25日 Proceedings of the CSEE ©2009 Chin.Soc.for Elec.Eng. 61 文章编号:0258-8013 (2009) 06-0061-06 中图分类号:TM 351 文献标志码:A 学科分类号:470⋅40内置混合式可控磁通永磁同步电机有限元分析陈益广,仲维刚,沈勇环(天津大学电气与自动化工程学院,天津市南开区 300072)Finite Element Analysis of Interior Composite-rotor Controllable FluxPermanent Magnet Synchronous MachineCHEN Yi-guang, ZHONG Wei-gang, SHEN Yong-huan(School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Nankai District, Tianjin 300072, China)ABSTRACT: A new kind of flux-controllable permanent magnet synchronous machine (PMSM) with interior composite-rotor structure was proposed. Both NdFeB and AlNiCo permanent magnets are embedded in the rotor. It makes full use of the high remanent flux density, high coercive force of NdFeB, and the high remanent flux density, low coercive force of AlNiCo. By imposing a d-axis current pulse whose direction and amplitude are controllable on the stator windings, the control system can change the magnetization direction and remanent flux density of AlNiCo, control the air-gap PM-flux, and rise speed by flux weakening. The working principle of this machine was introduced. The magnetic field was analyzed by finite-element method. Internal magnetic field distribution and air-gap magnetic field waveforms in different motor conditions were demonstrated. The results show the necessity of increasing q-axis magnetic reluctance. The rule of the influence of magnet size on the number of times of flux weakening was summarized.KEY WORDS: interior composite-rotor; finite element analysis; controllable-flux; permanent magnet synchronous machine; memory motor摘要:提出一种转子内同时放置钕铁硼和铝镍钴两种永磁体的内置混合式转子磁路结构的可控磁通永磁同步电机。
湖南工程学院应用技术学院毕业设计(论文)诚信承诺书本人慎重承诺和声明:所撰写的《永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析》是在指导老师的指导下自主完成,文中所有引文或引用数据、图表均已注解说明来源,本人愿意为由此引起的后果承担责任。
设计(论文)的研究成果归属学校所有。
学生(签名)年月日湖南工程学院应用技术学院毕业设计(论文)任务书题目:永磁同步发电机的设计及磁场有限元分析姓名 ***** 系************ 专业电气工程及其自动化班级 **** 学号 ************ 指导老师 ******* 职称 ****** 教研室主任 ******一、基本任务及要求:1、基本数据:1)额定功率:P N =7.5K W2)连接方式:Y3)额定电压:U N =400V4)额定转速:n N =1500r∕min5)相数: m=36)功率因数:cos =0.97)效率:η= 0.948)冷却方式:空气冷却2、本毕业设计课题主要完成以下设计内容:(1)按所给定技术要求完成永磁同步发电机的电磁设计方案;(2)用ANSOFT或ANSYS有限元法对发电机磁场进行仿真研究;(3)说明书编制。
二、进度安排及完成时间:2月27 日—— 3月 10日:查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告3月11 日—— 3月 23日:毕业实习、撰写实习报告3月24 日—— 4月 25日:毕业设计(电磁设计)4月 26日—— 5月 20日:毕业设计(磁场有限元分析)5月下旬:毕业设计中期抽查5月21 日——6月1日:撰写毕业设计说明书(论文)6月2 日——6月9日:修改、装订毕业设计说明书(论文),并将电子文档上传FTP 6月10 日——6月12日:毕业设计答辩前言随着现代工业的高速发展,能源的需求量也日益增加。
电能作为现代工业中最重要的二次能源,也发挥着越来越重要的作用。
而电机作为电能的生产者和主要的消费者,它的需求量在工业制造中占有很大的比例。
永磁电机的有限元仿真分析姚光久(广东电网公司中山供电局,广东中山528400)摘要:本文利用Ansfot公司的Maxwell2D瞬态模块,建立了永磁电机模型,加载激励源构成一个完整的仿真系统。
通过对永磁电机模型瞬态有限元分析,得到了电机五种状态磁力线与反电动势。
仿真结果精确地反映了电机运动过程,为永磁电机优化设计、减少转矩脉动、提高效率提供了理论依据。
关键词:永磁电机;五种状态;瞬态分析中图分类号:TM3文献标识码:A1引言永磁电机是把永磁电机本体、电子技术和控制技术融为一体的电磁机械装置,早期用于军事和航天领域,如卫星姿态控制、导弹测试用转台等,稍后被应用于工业加工领域,用作高性能机床的驱动[1]。
由于构成这类电机驱动系统的成本太高,在民用领域没有得到推广。
近年来,随着构成永磁同步电动机主要成本的永磁材料、电力电子器件、微处理器价格的不断降低,技术的进步使得研究永磁电机成为当代电气传动界的热门课题之一[2-3]。
永磁电机具有体积小、功率高、无转子损耗、转动惯量小和较高的转矩密度、转矩平稳性良好及振动噪音低等优点。
2静态分析软件由于永磁同步电动机的非线性特性,在运行过程中必然有一些参数发生非线性变化,以固定参数带入方程进行求解的方法会带来很大的误差,而且由于永磁同步电动机结构的特殊性,其参数也很难由传统的参数计算方法来精确确定。
随着计算机辅助设计技术的飞速发展,涌现出了许多用于电磁场有限元数值计算的软件。
静态场对动态元件迭代次数要求低,静态分析有限元软件占多数。
然而仅仅静态分析,不能分析计算电机的模型。
但是其他软件在涡流场和瞬态场分析方面较为欠缺,存在后处理功能薄弱、3D图像渲染能力缺失等缺点,给电机运行的计算带来困难。
Ansoft公司推出的Maxwell2D电磁场分析软件不仅具有完善的静态电磁场分析功能,对瞬变电磁场的分析同样卓越,具有强大的后处理功能,为永磁电机参数的计算提供了一个快捷、方便、准确的计算工具[4]。
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- i -Finite Element Analysis and Calcultation of a Permanent Magnet Linear Motor Based on ANSYS8.0AbstractThe 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 motorKeywordsPMLSM, ANSYS, FEM,Electromagnetic field, thrust, normal force致谢在本次毕业设计的过程中,首先要衷心感谢我的指导老师余佩琼,在这一个学期的的毕业设计期间给于我很多的指导和帮助,在我遇到困难的时候,给了我许多有用的建议和提示。
高速永磁同步电机的损耗分析与温度场计算一、概述高速永磁同步电机(HighSpeed Permanent Magnet Synchronous Motor, HSPMSM)作为现代工业自动化领域的关键设备,因其高效率、高功率密度和良好的控制性能,在航空航天、高速列车、电动汽车等重要领域得到广泛应用。
高速运行条件下,电机内部的热效应和温升问题成为限制其性能和可靠性的关键因素。
电机的损耗分析和温度场计算对于理解其热行为、优化设计以及确保运行安全至关重要。
本论文旨在对高速永磁同步电机的损耗和温度场进行系统分析。
将对电机的损耗类型进行分类,包括铁损、铜损和杂散损耗,并探讨各种损耗在高速运行条件下的变化规律。
将详细介绍基于有限元方法的电机温度场计算流程,涉及热生成、对流散热、热传导等关键物理过程。
通过实验验证和仿真结果对比,评估所提方法的有效性和准确性,为高速永磁同步电机的热管理提供理论依据和技术支持。
1. 高速永磁同步电机的发展背景和应用领域随着科技的不断进步和工业的快速发展,电机作为转换电能为机械能的核心设备,其性能的提升与技术的革新显得尤为重要。
高速永磁同步电机(HighSpeed Permanent Magnet Synchronous Motor,HSPMSM)作为现代电机技术的一个重要分支,凭借其高效、高功率密度、高转速和低维护等特性,在多个领域展现出了广阔的应用前景。
发展背景方面,随着全球能源危机的加剧和环境保护意识的提升,高效节能型电机成为了研究的热点。
高速永磁同步电机正是在这一背景下应运而生,它不仅继承了传统永磁同步电机的高效率特性,而且通过提高转速,进一步提升了能量转换效率和功率密度。
新材料、新工艺的不断涌现,也为高速永磁同步电机的设计与制造提供了更多的可能性。
应用领域方面,高速永磁同步电机已被广泛应用于风力发电、新能源汽车、航空航天、高速机床、压缩机等多个领域。
在风力发电中,高速永磁同步电机的高效性能和稳定性为风能的高效利用提供了保障在新能源汽车中,其高功率密度和快速响应特性使得车辆加速更加迅速和平稳在航空航天领域,其高转速和轻量化特点使得其在飞行器的动力系统中占据了重要地位。
永磁同步风力发电机的有限元分析张 兆 强(上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海 200240)[摘 要]选择内转子直驱永磁的电机系统结构进行风力发电机设计。
采用等效磁路的方法进行了初步设计。
使用有限元方法分析了电机在空载、额定负载和三相短路情况下的工作特性。
结果表明电机齿槽转矩小、工作点合理,且短路状态下不会发生永磁材料的永久去磁。
[关键词]风力发电机设计;有限元分析;永磁[中图分类号] TM313 [文献标识码]A [文章编号] 1000-3983(2007)05-0018-04Finite Element Analysis for Permanent Magnet Synchronous GeneratorZHANG Zhao-qiang(Department of Electronics Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)Abstract: Inner-rotor direct-coupled structure is adopted in wind generator design. Pre-design of the generator is carried out with equivalent magnet circuit method. The generator characteristics in the states of no load, rated load and short circuit are analyzed with finite element method. The result shows that the cogging torque is small and working points are reasonable, and irreversible demagnetization will not happen in short circuit state.Key words: wind generator design; finite element analysis; permanent magnet1概述目前风力发电中使用较多的是双馈电机变速恒频风力发电系统,这是因为其控制风力机在一个较宽的转速范围内运行,能最大限度地捕捉风能,又能调节有功功率和无功功率,起到补偿功率因数的作用。
中图分类号:T M382 T M341 文献标识码:A 文章编号:100126848(2007)0120005205盘式永磁同步电机永磁体内涡流的有限元分析王晓远1,2,李 娟2,齐立晓2,唐任远1(1.沈阳工业大学,沈阳 110023;2.天津大学,天津 300072)摘 要:钕铁硼是采用最多的永磁体材料,虽然性能令人满意,但电导率高,耐热性差;并且由于转子散热能力差,涡流会使永磁体发热升温,从而导致部分不可逆的退磁,因此很有必要对永磁体内的涡流进行分析。
针对盘式永磁同步电机自身的特点,通过二维电磁场有限元法分别求解了空载和负载时电机内的磁场和永磁体内的涡流,其中包括有铁心电机由于齿槽的存在而引起的涡流和不同电机运行速度下的涡流。
为了考虑电机的运动效应和使计算结果更加精确,采用了瞬态分析,同时在划分单元时考虑了磁场的透入深度。
最后根据瞬态计算出的数据绘出了磁矢位和涡流波形。
波形分析得出了影响永磁体内涡流的因素以及应采取的措施。
关键词:永磁体;涡流;有限元;透入深度;瞬态分析;永磁同步电动机FE M Ana lysis of the Eddy Curren t i n the Per manen tM agnet of D isc Type Per manen tM agnet SynchronousM ach i n esWANG Xiao 2yuan 1,2,L I Juan 2,Q IL i 2xiao 2,T ANG Ren 2yuan1(1.Shenyang University of technol ogy,Shenyang 110023;2.Tianjin University,Tianjin 300072,China )ABSTRACT:NdFe B is mostly used per manent magnet .Des p ite of its satisfact ory perf or mance,it suf 2fers fr om high electrical conductivity and poor heat resistance .Moreover,due t o the relatively poor heat dissi pati on fr o m the r ot or,eddy current l osses may cause significant heating of the per manent magnets,and result in partial irreversible de magnetizati on .Theref ore,it is necessary t o study the eddy current inthe per manent magnet .Based on the actual structure of disc ty pe per manent magnet synchr onous ma 2chines,the magnet field of the machine and the eddy current in the r ot or res pectively in the conditi on of l oad and no 2l oad are s olved by t w o 2di m ensi onal finite ele ment method,which als o includes the eddy cur 2rent caused by the teeth of the stat or and the different eddy currents under different running s peed condi 2ti ons .Considering the moti on effect of the mot or and ensuring the accuracy of the results,this paper uti 2lizes transient analysis and takes the skin dep th of magnetic field int o account when the model is meshed int o finite ele ments .After s oluti on,the magnetic vect or potential wavef or m s and the eddy current wave 2f or m s are dra wn according t o the result data .Some influencing fact ors on the eddy current in the per ma 2nent magnet and s ome effective measures are concluded by the analysis of the wavef or m s .KEY WO R D S:Per manent magnet;Eddy current;FE M;Skin dep th;Transient analysis;P MS M收稿日期:2006206205国家863计划项目(2002AA324020)0 引 言盘式永磁同步电机属于轴向磁场电机。
双转子永磁同步发电机设计及其有限元分析的开题报告一、选题背景在风力发电、水力发电等领域,永磁同步发电机因其体积小、效率高等优点,在逐渐取代传统感应发电机成为主流。
然而,传统的单转子永磁同步发电机存在转速与电压难以匹配等问题,且输出功率不稳定。
相比之下,双转子永磁同步发电机不仅能够提高转速与电压之间的匹配度,还能够延长机组使用寿命,因此受到了广泛关注。
二、研究内容本研究将以双转子永磁同步发电机为研究对象,设计出一种性能更为优越的发电机结构,并通过有限元分析进行验证和修正,最终实现对该发电机性能的优化。
三、研究方法1. 通过对已有双转子永磁同步发电机的研究,分析其优缺点,确定需要改进的方向。
2. 设计双转子永磁同步发电机的结构,包括转子形状、数量和各部件的参数等,并对其进行计算和仿真验证。
3. 利用有限元分析技术,对所设计的双转子永磁同步发电机进行电磁场、机械场和温度场等多物理场耦合分析,进一步验证其性能是否优越。
4. 根据所得结果,对双转子永磁同步发电机的结构进行优化和改进,最终得到一种输出性能更为卓越的发电机。
四、研究意义本研究针对的是当前新兴的双转子永磁同步发电机,对其结构和性能进行了深入研究,并采用有限元分析技术进行验证,旨在提高其性能,并且对永磁同步发电机的技术创新和发展具有一定的意义。
五、预期任务和目标1. 撰写完整的双转子永磁同步发电机设计方案及有限元分析报告。
2. 利用ANSYS等有限元软件进行电磁场、机械场、温度场等多物理场耦合分析,验证发电机的性能。
3. 对所设计的双转子永磁同步发电机进行优化和改进,提高其输出性能。
4. 完成学位论文的撰写,取得学位论文的答辩资格。
六、研究进度计划本研究拟于2022年9月开始,预计于2025年6月完成。
具体进度计划如下:1. 2022年9月-2023年6月:文献调研和理论基础学习。
2. 2023年7月-2023年12月:双转子永磁同步发电机设计和计算仿真。
永磁直线电机的有限元分析及计算永磁直线电机(Permanent Magnet Linear Motor,简称PMLM)是一种将电能转化为直线机械能的装置,它由永磁体组成的固定子和线圈组成的动子构成。
与传统的旋转电机不同,PMLM能够直接输出直线运动,并且具有大力密度、高效率和较低的噪音。
在永磁直线电机的设计和优化过程中,有限元分析(Finite Element Analysis,简称FEA)和计算是非常重要的工具。
在有限元分析中,将电机内部的磁场、电流、力等物理量划分为有限数量的元素和节点,并使用数值方法求解模型的行为。
通过FEA方法,可以定量地评估永磁直线电机的性能指标,如功率、力矩、效率等。
有限元分析通常包括以下步骤:1.建立几何模型:将永磁直线电机的各个组成部分,如永磁体、线圈、铁心等,准确地建模为几何实体。
2.网格划分:将几何模型划分为有限数量的单元和节点,常用的划分方法包括四面体划分、六面体划分、三角形划分等。
3.求解磁场分布:根据电机的电流和永磁体的磁性,使用麦克斯韦方程和安培定律求解磁场分布,并获取磁力密度分布、磁场线轨迹等。
4.计算电机的力矩和力:通过磁场和电流之间的相互作用,计算电机在工作状态下的力矩和力。
5.评估性能指标:根据有限元分析结果,评估永磁直线电机的性能指标,如功率、效率、力矩密度等。
有限元分析不仅可以用于永磁直线电机的静态分析,还可以用于动态分析。
在动态分析中,需要考虑电机的运动状况和电机响应的时间变化。
通过有限元分析,可以评估电机在不同速度、不同负载情况下的性能。
在计算方面,可以使用有限元软件,如ANSYS、COMSOLMultiphysics等,进行永磁直线电机的有限元分析。
这些软件提供了强大的模拟和计算功能,可以帮助工程师快速准确地分析电机的力学和电磁特性。
总之,有限元分析和计算是永磁直线电机设计和优化的关键工具之一、通过使用有限元分析,可以定量地评估电机的性能,指导电机的设计和优化,并提高电机的效率和可靠性。
一、概述此文档介绍了利用Ansoft Maxwell2D 11.0电磁场有限元分析软件对永磁同步发电机进行磁场分析的方法,读者应先了解Ansoft软件的基本使用方法后阅读本文,Ansoft软件的基本使用方法可参阅《Ansoft工程电磁场有限元分析》(刘国强著,电子工业出版社)。
永磁同步发电机磁场分析的基本流程见图1。
图1 磁场分析的基本流程二、求解空载磁场1.绘制有限元模型(Define Model)Ansoft Maxwell2D 有限元建模的方法主要有三种,一是直接在Maxwell2D 中绘制,选择Define Model-Draw Model 进入后在软件提供的绘图界面上绘制电机模型。
二是利用Ansoft RMXpert导入,点开Maxwell 11 3D的界面,选择Project-Insert RMxpert Design,然后逐项输入电机各项数据。
输入完各项数据后,点击RMxpert-Analyze all,求解电机模型。
求解完成后,点击RMxpert-Analysis Setup-Export-Maxwell 2D Project,生成一个Maxwell 2D模型。
在弹出的对话框中,Project Name中填写模型的名字,Location填写模型存放的路径。
三是用AutoCAD绘制后导入。
将绘制后的AutoCAD图形存成*.dxf格式,在Ansoft Maxwell2D 绘图界面中点击File-Import,选中*.dxf文件在出现的设置转换参数对话框中,将Number of segments for poligonalization of a circle 和Number of segments between control points of a spline 后的数量设置得大一点,点击ok,将AutoCAD图形转换为Maxwell 2D模型图形*.sm2。
界面后选择File-Open, 打开转换好的图形。
开题报告填写要求1.开题报告(含“文献综述”)作为毕业设计(论文)答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。
此报告应在指导教师指导下,由学生在毕业设计(论文)工作前期内完成,经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。
2.开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式(可从教务处网页上下载)打印,禁止打印在其它纸上后剪贴,完成后应及时交给指导教师签署意见。
3.“文献综述”应按论文的格式成文,并直接书写(或打印)在本开题报告第一栏目内,学生写文献综述的参考文献应不少于10篇(不包括辞典、手册),其中至少应包括1篇外文资料;对于重要的参考文献应附原件复印件,作为附件装订在开题报告的最后。
4.统一用A4纸,并装订单独成册,随《毕业设计(论文)说明书》等资料装入文件袋中。
毕业设计(论文)开题报告1.文献综述:结合毕业设计(论文)课题情况,根据所查阅的文献资料,每人撰写2500字以上的文献综述,文后应列出所查阅的文献资料。
1. 永磁同步发电机简介1.1永磁同步发电机概述永磁同步发电机的工作原理与电励磁同步发电机相同,但它以永磁体提供的磁通替代了后者的电励磁绕组励磁,使电机结构较为简单,降低了加工和装配费用,且省去了容易出问题的集电环和电刷,提高了发电机运行的可靠性;又因无需励磁电流,省去了励磁损耗,提高了发电机的效率和功率密度。
因此永磁同步电机具有结构简单、运行可靠、损耗小,效率和功率因数高等一系列优点,因而它是近年来应用非常广泛,几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。
永磁电机由于转子磁场由永磁体产生,制成后难以调节磁场来控制其输出电压和功率因数,同时永磁材料加工工艺的分散性,永磁材料的(特便是铁氧体永磁和钕铁硼永磁)的温度系数大,导致电机的输出电压分散,偏离额定电压;采用稀土永磁后,目前价格昂贵。
随着电力电子器件的性能价格比不断提高,目前正逐步采用可控整流器和变频器来调节电压,上述缺点可以得到弥补。
1.2 永磁材料国内外发展及现状永磁电机的发展是与永磁材料的发展密切相关的。
我国是世界上最早发现永磁材料的磁特性并把它应用于生产实践的国家。
19世纪20年代出现的世界上第一台电机就是由永磁体产生的励磁磁场的永磁电机。
但当时所用的永磁材料是天然铁矿石(Fe3O4),磁能密度很低,用它制成的电机体积庞大,不久被电励磁电机所取代。
20世纪30年代出现的铝镍钴永磁(最大磁能积可达85KJ∕m3)和50年代出现的铁氧体永磁材料(最大磁能积现可达40 KJ∕m3),磁性能有了很大的提高,各种微型和小型电机又纷纷使用永磁体励磁。
这段时期在永磁电机设计理论、计算方法、充磁和和制造技术等方面也都取得了突破性发展,形成了以永磁体工作图图解法为代表的毕业设计(论文)开题报告2.开题报告:一、课题的目的与意义;二、课题发展现状和前景展望;三、课题主要内容和要求;四、研究方法、步骤和措施开题报告一、目的与意义通过对永磁同步发电机的电磁设计和磁场有限元分析的研究,进一步掌握永磁材料的特性及应用和同步发电机的原理、结构、特性、应用。
由于相比于传统电励磁电机,永磁电机具有诸多优点,如永磁同步发电机的气隙磁场是由永磁体提供的,无需励磁电流和励磁损耗。
同步转速运行时,转子不产生铜耗和铁耗, 效率和功率因数高于电励磁同步发电机3% - 10% 。
随着永磁材料的性能不断的提高,永磁材料将在各种电机中也运用的越来越广泛,能更好的满足各种环境要求。
我国稀土资源丰富,稀土不稀,稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的四倍左右,号称“稀土王国”。
稀土矿石和稀土永磁的产量都居世界前列。
稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。
因此,充分发挥我国稀土资源丰富的优势,大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机,对实现我国社会主义现代化具有重要的理论意义和实用价值。
采用有限元分析法及结核计算机软件分析技术能通过软件来建立电机的动态模型得到电机模拟运行时的各项磁场参数,更好的了解和解决永磁电机实际运行中的各种问题。
二、永磁电机的发展现状与前景永磁电机的发展与永磁材料的发展息息相关,永磁电机与永磁材料相对应,稀土永磁电机的研究和开发大致可以分为三个阶段。
1)60年代后期和70年代,由于稀土钴接个昂贵,研究开发重点是航空航天用电机和要求高性能而价格不是主要因素的高科技领域。
2)80年代,特别是1983年出现价格相对较低的钕铁硼永磁后,国内外的研究开发重点转到工业和民用电机上。
稀土永磁的优异磁性能,加上电力电子器件和微机控制技术的迅猛发展,不仅是许多传统电励磁电机纷纷用稀土永磁电机来取代,而且可以实现传统的电励磁电机所难以达到的高性能。
3)进人90年代以来,随着永磁材料性能的不断提高和完善,特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善以及电力电子元件的进一步发展和改进,加上永磁电机研究和开发经验的逐步成熟,除了大力推广和应用已有研究成果外,稀土永磁电机的应用和开发进入一个新阶段,目前正向大功率化(超高速,高转矩),高功能化和微型化方向发展。
现将近年来国外文献介绍的各种应用率例及发展趋势如下。
大功率化1.超高速电机我们知道,要想在一定的电机体积下提高电机的额定功率就必须大幅度提高电机的转速。
稀土永磁电机不需要励磁绕组,结构比较简单,磁场部分没有发热源,不需要冷却装置,材料的矫顽力高,气隙长度可以取较大值,从而使大幅度提高转速成为可能。
目前已制成每分钟二三万转的电机,正在研制每分钟几十万转的电机。
与此相应的转子结构有三种类型。
(1)径向气隙电机这方面的典型产品有美国通用电气公司早期研制的150kW 23000r/min的航空用起动/发电机和日本的1000kW 15000r/min的钐钴永磁同步发电机。
超高速电机在旋转时有很大的离心力,为使永磁体和其他材料不致于飞散,需要采取机械加固措施,一般在转子外径处套一非磁性钢的护环。
由于径向气隙电机的磁通方向与离心力方向相同,转子外围的非磁性护环和粘结剂成为实际气隙长度的一部分,从而降低了气隙磁密,或者需要增加稀土永磁用量。
(2)轴向气隙电机这种电机的磁通方向与径向的离心力正交,转子外围的护环和粘结剂并不影响轴向的磁路,因而不降低气隙磁通。
但是这种结构的轴向磁拉力大,转子惯量也大,采取无铁心转子等措施可以解决上述问题。
另外为增加额定功率,可以将转子圆盘在轴向分成几段。
目前正在研制几百千瓦的电机。
(3)外转子电机这种结构的永磁体粘结在外转子的内周表面,可以防止永磁伴的飞散,因而不会增大气隙长度也就不会降低气隙磁密。
但在轭的根部附近应力集中,需要加厚。
2.高转矩电动机永磁电机与过去使用的直流电动机相比,体积可减小60%左右,损牦可降低20%左右,而且不要电刷和换向器,维护方便。
转子内周的空间可装入变频器电路,使结构紧凑,空间利用充分。
高功能化在高温、高真空度或空间狭小等特殊使用场合,难以使用传统电机,而稀土永磁电机可以耐高温(指钐钻永磁),且体积小,正好能满足这些特殊要求。
1.高温电动机和高真空电动机宇航设备、宇宙空间的机械手,原子能设备的检查机器人和半导体制造装置等特殊环境下工作的电动机,需要使用高温电动机和高真空电动机。
已开发的有150W 3000r/min,工作在200 ~300℃高温和133.3X10-6Pa真空度环境下的三相4极永磁电动机,直径105mm,长145mm。
采用高温特性好的钐钴Sm2Co17永磁体以及以金属和陶瓷系的无机材料为主的结构材料。
2. 电动汽车用电动机为解决大气污染问题,国内外都十分重视开发实用的电动汽车。
对于电动汽车用电动机,既要求体积小、重量轻、效率高,又要求在高温和严酷条件下的运行可靠性。
目前发展趋势之一是在车轮轮箍中装入外转子稀土永磁电动机,以直接驱动电动汽车或电车。
3. 内装逆变器电动机无刷直流电动机的应用越来越广泛,目前的趋势是将逆变器装入电动机内,使之成为一体,做到系统整体小型化。
由于稀土永磁电机可以做到体积小,转子内部又没有热源,温升值不大,有可能装入逆变器,法国Alsthom开发的100kW无刷直流电动机,在线圈端侧装入逆变器,总重量只有28kg。
微型化由于钕铁硼永磁的最大磁能积很高,特别是能制成超簿型的永磁体,从而使过去难以做到的超微型和低惯量电动机得以实现。
目前已开发出直径几毫米以下的超小型电动机用作医疗用微型机器,眼球手术用机器人手臂或管道检查用机器人等场合的驱动源。
图7为日本东芝公司开发的起动转矩2X10-5Nm 100000r/min的微型永磁电动机的结构示意图,外径为3mm,长为5mm, 径向气隙,在兼作定子磁轭的电动机外壳的内部安装了三个薄型绕组,在其内部有由轴承支撑的稀土永磁装转子。
进一步改造成轴向气隙的永磁电动机,已制成外径0.8mm。
长1.2mm的世界上最小的永磁电动机。
在设计制造和应用永磁电机时,需对以下几个问题着重进行研究分析:1、磁路结构和设计计算为了充分的发挥各种永磁材料的磁性性能,特别是稀土永磁的优异磁性能,用最少的永磁材料和加工费用制造出高性能的永磁电机,就不能简单套用传统永磁电机或电励磁电机的结构和设计计算方法。
必须建立新的设计概念,重新分析和改进磁路结构和控制系统;必须应用现代设计方法,研究新的分析计算方法,以提高设计计算的精准度;必须研究采用先进的测试方法和制造工艺。
2、控制问题永磁电机制成后不需外界能量即可维持其磁场,但也造成从外部调节,控制其磁场极为困难。
永磁发电机难以从外部调节其输出电压和功率因素。
永磁直流电动机不能再用改变励磁的办法来调节其转速。
这些使永磁电机的应用范围收到了限制。
但是,随着MOSFET、IGBT等电力电子器件和控制技术的迅猛发展,大多数永磁电机在应用中,可以不必进行磁场控制而只进行电枢控制。
设计时需要把稀土永磁材料、电力电子器件和微机控制三项新技术结合起来,使永磁电机在崭新的工况下运行。
3、不可逆退磁问题如果设计或使用不当,永磁电机在过高(钕铁硼永磁)或过低(铁氧体永磁)温度时,在冲击电流产生的电枢反应作用下,或在剧烈的机械震动时有可能产生不可逆退磁,或叫失磁,使电机性能降低,甚至无法使用。
因而,既要研究开发适用于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳定性的方法和装置,又要分析各种不同的结构形式的抗去磁能力,以便在设计和制造时,采用相应措施保证永磁电机不失磁。
4、成本问题铁氧体永磁电机,特别是微型永磁直流电动机,由于结构工艺简单、质量减轻,总成本一般比电励磁电机低,因而得到了极为广泛的应用。
由于稀土永磁目前价格还比较昂贵,稀土永磁电机的成本一般比电励磁电机高,这需要用它的高性能和运行费用的节省来补偿。
在某些场合,例如计算机磁盘驱动器的音圈电动机,采用钕铁硼永磁后性能提高,体积质量显著减小,总成本反而降低。