基于Maxwell的永磁直流電機磁場分布有限元分析

邱偉國　舒云峰　胡　瑞　趙修彬　高　原　尹春龍

(中鋼集團安徽天源科技股份有限公司)

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基于Maxwell的永磁直流電機磁場分布有限元分析

邱偉國舒云峰胡瑞趙修彬高原尹春龍

(中鋼集團安徽天源科技股份有限公司)

摘要采用Maxwell 16.0有限元分析軟件對永磁直流電機定子模型進行了二維和三維仿真，得到了永磁鐵氧體磁瓦空載狀態(tài)下的磁場分布曲線。將仿真結果與實際參數(shù)進行比較，驗證了仿真方法的有效性。采用有限元分析軟件改變磁瓦的機殼厚度、材料性能、磁瓦的角度、磁瓦的厚度及磁瓦的拱高尺寸等參數(shù)，可以得到各參數(shù)對磁瓦的磁場分布的影響，量化不同參數(shù)對磁場的影響程度，縮短永磁直流電機的開發(fā)與設計周期，降低研發(fā)成本。

關鍵詞有限元分析永磁鐵氧體磁場分布影響因素

永磁直流電機是用永磁體建立磁場的一種直流電機。永磁直流電機廣泛應用于各種便攜式的電子設備或器具中，也廣泛應用于汽車、摩托車、家用電器等行業(yè)，在一些高精尖產(chǎn)品中也有廣泛應用[1-2]。隨著時代的發(fā)展，原先用交流電機的許多場合已被永磁直流電機替代，永磁直流電機應用領域逐漸增加。永磁直流電機磁瓦的磁場分布和中心磁密對永磁直流電機的開發(fā)和設計有著重要意義。本文建立了磁瓦的三維有限元模型，通過Maxwell有限元分析軟件對磁瓦進行分析，得出了磁瓦的磁場分布和中心磁密度。

1　電機機構及工作原理

直流電機主要由定子、轉(zhuǎn)子等組成，結構如圖1所示。直流電機利用帶電導體在磁場中受到電磁力的作用并形成電磁轉(zhuǎn)矩，推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，實質(zhì)上是一臺裝有換向裝置的交流電動機[3]。直流電機的外加電壓并非直接加于線圈，而是通過電刷和換向器再加到線圈，電樞導體中的電流方向隨其所處磁極極性的改變而改變，從而保持電磁轉(zhuǎn)矩的方向不變。

2　有限元分析原理

永磁直流電機具有調(diào)速范圍寬、便于控制、體積小、效率高、銅耗低、結構簡單、運行可靠等特點，因而在家用電器、醫(yī)療設備、汽車電器、音像器具及電動工具等方面應用廣泛。由于其存在換向器件及永磁體，永磁直流電機的結構復雜，借助有限元分析軟件可以方便地分析永磁直流電機工作特性，對電機結構設計、改進、運行性能提高提供參考。

圖1　直流電機構造示意1—主磁極；2—換向磁極；3—機座；4—端蓋；5—電刷裝置； 6—電樞鐵心；7—電樞繞組；8—換向裝置；9—轉(zhuǎn)軸

2.1二維恒定磁場有限元方程

求解上式方程即得各個節(jié)點的矢量磁位的縱向分量，各個單元上的磁感應強度為[4]

2.2有限元方法模塊組成[5-7]

(1)前處理模塊。前處理模塊具備參數(shù)定義、實體建模與網(wǎng)格劃分的功能，憑借這個模塊用戶可以建立有限元模型，主要數(shù)據(jù)包括坐標系統(tǒng)、單元剖分，單元和節(jié)點編號、定義實常數(shù)、材料參數(shù)、場源和邊界條件的輸入等。

(2)分析求解模塊。在前處理的實體建模和網(wǎng)格劃分后，就可以使用分析求解模塊得到結果。分析求解模塊主要包括結構分析、流體力學分析、電磁場分析等，即對模型進行單元分析、單元合成、邊界條件處理和代數(shù)方程組求解。

(3)后處理模塊。在前兩個模塊結束后，后處理模塊對計算結果進行處理，直接將求解結果保存于數(shù)據(jù)庫中，同時可以將梯度、矢量、粒子流及云圖等計算結果以圖形方式顯示出來，也可以以圖表或曲線的方式輸出結果。

3　模型建立

永磁直流電機(型號385)的參數(shù)如表1所示。

表1　直流電機參數(shù)及模型

采用Maxwell 16.0有限元分析軟件分析磁瓦參數(shù)，得到電機磁力線的二維和三維分布，如圖2所示。同樣，采用有限元分析軟件得到磁瓦中間軸線的中心磁場磁通密度分布曲線，如圖3。由圖2和圖3可知，通過采用Maxwell 16.0有限元分析，可以獲得直流電機工作時其內(nèi)部磁瓦的磁力線和中心磁場磁通密度分布情況。

4　驗證模型分析結果

表2是采用有限元分析方法和實際測量得到的兩種不同規(guī)格磁瓦參數(shù)時的中心磁感應強度分布。

圖2　磁瓦在電機內(nèi)部的磁力線分布

圖3　磁瓦中間軸線的中心磁感應強度分布表2　軸高分別為20.8 mm和27 mm的 磁瓦參數(shù)及中心磁場強度

磁瓦外半徑/mm磁瓦內(nèi)半徑/mm磁瓦圓心角/(°)磁瓦弦長/mm磁瓦軸高/mm磁瓦厚度/mm中心磁場強度/mT模擬實測13.28.913522.620.84.371.772.313.28.913522.627.04.375.376.1

從表2可知，相同的磁瓦，通過采用有限元分析方法得到的中心磁場強度的模擬值與實驗值非常接近，因此，可以通過改變不同的磁瓦參數(shù)(機殼厚度、材料性能、磁瓦的角度、磁瓦的厚度及磁瓦的拱高尺寸)研究其對磁瓦的磁力線及中心磁場磁感應強度分布的影響。采用Maxwell 16.0有限元分析軟件對電機進行優(yōu)化設計，避免了使用繁瑣的實物來驗證，這樣可以縮短設計和分析的周期，降低設計成本，加快該類產(chǎn)品的開發(fā)與設計，找出較優(yōu)的電機永磁鐵氧體磁瓦參數(shù)[8-9]。

5　結　論

建立了永磁直流電機定子及永磁鐵氧體磁瓦尺寸模型，采用Maxwell16.0有限元分析軟件對該模型進行有限元分析，得出了磁瓦在電機中的磁力線和中心磁感應強度分布。有限元軟件模擬分析得到的數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)很接近，采用Maxwell16.0有限元分析軟件可以分析磁瓦的磁感應強度分布。采用有限元分析軟件改變磁瓦的各項參數(shù)(機殼厚度、材料性能、磁瓦的角度、磁瓦的厚度及磁瓦的拱高尺寸)可以得到各項參數(shù)對磁瓦的磁力線及中心磁感應強度分布的影響，從而量化了不同的參數(shù)對磁感應強度的影響程度，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)與設計周期，降低成本。

參考文獻

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[2]曹永娟,李強,余莉.基于ANSYS的永磁同步電動機磁場分析與計算[J].微電機, 2009, 49 (9):11-14.

[3]金建銘.電磁場有限元方法[M].西安:西安電子科技大學出版社,2001.

[4]張海軍,張京軍,高瑞貞.基于ANSYS的電機電磁場仿真分析[J].河北建筑科技學院學報,2006,23(4):73-77.

[5]徐海峰,辛慧源.ANSYS軟件對電機磁場的分析[J].電子與封裝,2013,3(2):40-44.

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[8]Zhu Z Q.Finite Element Analysis in the Design of Permanent Magnet Machine[J].Institution of Electrical Engineering,2000(13):1-7.

[9]唐任遠，等.現(xiàn)代永磁電機理論與設計[M].1版. 北京: 機械工業(yè)出版社， 1997.

(收稿日期2016-05-05)

邱偉國(1978—)，男，高級工程師，碩士，243000 安徽省馬鞍山市。