基于Maxwell 3D磁場分析的直線電動機仿真實驗

胡 堃, 鄧先明， 葉宗彬

(中國礦業大學 電氣與動力工程學院，江蘇 徐州 221116)

基于Maxwell3D磁場分析的直線電動機仿真實驗

胡 堃, 鄧先明， 葉宗彬

(中國礦業大學 電氣與動力工程學院，江蘇 徐州 221116)

特種電動機的教學是常規電動機教學工作的延續，電動機的結構和磁場分布與常規電動機有所不同，特別是各種場的概念非常抽象。為提高學生學習興趣，使學習的電動機內容更加直觀，本文以平板式永磁直線電動機為例，利用Maxwell 3D軟件進行建模仿真。在仿真中定義了電動機各部分材料屬性，然后對定子和動子進行剖分設置，加載邊界條件，求解及后處理。分析了電動機的磁場和電流密度，直觀的展現了電動機磁場分布和力矩信息。加強學生理解直線電動機的基本結構和工作原理，使非常抽象的磁場和電場概念具體化、形象化，培養了學生想象力和創造力。本文方法對于其它種類的電動機教學也具有參考作用，為今后開展電動機方面虛擬實驗打下基礎。

直線電動機； 仿真； 磁場分布

0 引 言

“特種電動機”課程是電氣工程與自動化等專業方向的一門重要的專業課，是常規電動機教學工作的延續，具有理論深、難度大、涉及面廣、信息量大、空間立體圖多等特點，傳統的教學方法和教學手段往往使學生感到內容難以理解。為了提高學生的學習興趣，使所學內容更直觀、更容易接受，提高學生單位時間的學習效率和學習質量，結合我們科研過程中使用的ANSYS有限元軟件，建立永磁直線電動機的分析模型，方便展示電動機的磁場分析和電流密度，方便學生的理解，為今后開展虛擬實驗打下基礎[1,2]。

文獻[3]中給出了一種開關磁阻電動機的優化設計，分析了開關磁阻電動機的特性，對傳統的電動機教學有很好的輔助作用。文獻[4]中以三相永磁電動機為例，進行二維磁場分析，提高了學生創新能力和空間抽象思維能力。文獻[5]中以一臺直流電動機和一臺交流電動機為例，利用Maxwell進行建模，分析了電動機的結構、工作原理和磁場分布，加深了學生對電動機的理解。文獻[6]中利用ANSYS軟件給出了安培環路定律和同步電動機的磁場分析，把抽象的概念形象化，從而改善教學效果。文獻[7]中利用軟件建立電動機虛擬實驗室，使學生直觀的觀察到電動機的磁場分布，提高了學生電動機設計能力。文獻[8]中利用Maxwell建立永磁電動機的靜磁場分析模型，展示了電動機內部不同位置的磁場分布，影響了學生對電動機的理解認識和學習興趣。文獻[9]中利用ANSYS軟件計算了多種條件下永磁發電動機的磁場，動畫演示了旋轉磁場和靜態磁場的形成和分布，方便學生學習和理解。文獻[10]中給出一種直線電動機的仿真模型，分析了它的磁場強度、受力、位移等。文獻[11-12]中分析了圓筒直線永磁電動機的瞬態磁場。文獻[13]中建立了一種新的動子結構，避免了直線電動機的端部效應所引起的推力波動。文獻[14]中提出了直線電動機繞組的新型排列方式，仿真驗證了這種排列方式的可行性。文獻[15]中利用Ansys軟件計算了徑向圓筒型直線電動機的磁場分布和推力。

ANSYS Maxwell仿真軟件可以用來分析電動機的靜態磁場分布，空載瞬態磁場等。軟件的一般使用步驟是電動機的建模，定義材料屬性，分配材料，劃分網格，設置加載、邊界條件，求解及后處理等[16]。

1 建立模型

直線電動機的結構分為定子和動子兩部分，也可看成是由旋轉電動機沿徑向剖開并展平。下面以動圈式平板直線永磁電動機為例，求解該電動機的3D靜態磁場。電動機的基本參數如下：相數m=3;額定電流In=100 A;極數p=10;槽數Z=12。

1.1 創建電動機的仿真模型

在三維模型坐標系下創建電動機的動子齒、動子沖片、永磁體和定子軛的幾何模型，如圖1所示。

圖1 永磁直線電動機各部分三維實體模型

1.2 制作電動機繞組線圈的幾何模型

直線電動機的繞組線圈為矩形集中繞組，先生成矩形繞組，通過倒角處理后如圖2所示。

圖2 矩形繞組進行倒角處理后的線圈模型

生成的線圈繞組是一個封閉的體，需要指定源的方向，所以建立Section面進行定義，并把生成的Section平移到繞組線圈的中間斷面處，如圖3所示。

圖3 線圈體中設置的Section面

1.3 制作求解域模型

由于直線電動機存在端部漏磁，加上邊界條件會引起計算的誤差，所以直接建立一個真空邊界，把該直線電動機整個包圍起來，從而可以更好地模擬它的實際磁場。

1.4 定義材料的屬性

把動子線圈定義為銅，定子的基板和動子鐵芯定義為一種非線性的鐵磁材料，并用平行充磁的方式定義永磁體的材料。把永磁體的磁極按照N、S間隔著排列。

1.5 激勵源的設置

直線電動機所需要的激勵源包括兩部分，①是永磁體提供的主勵磁磁場，②是三相繞組的電流勵磁，所以需要對動子上的線圈繞組進行分相。然后給三相線圈繞組加上不同的電流值。

1.6 網格剖分

由于需要很大的系統資源來求解三維磁場，故需對每一部分分別進行設置，并限定剖分單元的最大數量。詳細的剖分數量和要求見表1，剖分后的效果圖如圖4所示。

表1 各部分剖分參數設置

圖4 模型剖分效果圖

2 求解和分析結果

啟動檢查程序，如有問題會顯示提示錯誤信息，按要求進行修改。通過自檢完成后，啟動求解3D模型，根據計算機的性能求解時間長短不同。

2.1 力矩分析

圖5所示為電動機的力矩信息。圖中數值的負號表示所受的力與所設置的坐標方向相反。

圖5 直線電動機的力矩信息

2.2 磁場分析

磁場分布如圖6所示，由圖可見各種磁場的大小和方向，使學生對抽象的磁場概念有一個具體的認識。永磁體的磁場從自身發出，穿過定子軛向下，通過線圈、動子鐵芯形成一個閉合的回路。動子鐵芯線圈和永磁體形成的磁極極性相反，相互吸引，從而形成徑向磁拉力，拉動動子鐵芯向右移動。根據圖中的顏色和箭頭長短不同，可以看出直線電動機各個部位的磁場大小飽和分布情況。

圖6 直線電動機磁場分布圖

2.3 電流密度分析

電流密度如圖7所示，從圖中可以看出，永磁體自身不需要通電產生磁場，動子鐵芯線圈A、B、C三相分別通入交流電流，通過集中繞組的電流產生磁場，圖中直觀的反映了電流密度的概念。在該時刻，A相電流密度小，B、C相電流密度大。

圖7 直線電動機電流密度分布圖

3 結 語

本文在ANSYS Maxwell軟件中建立平板型直線永磁電動機的3D模型，分析了力矩、磁場分布和電流密度。由于直線電動機應用較少，現有的實驗室擁有直線電動機設備更是少之又少，學生很難有機會接觸到直線電動機的實踐操作。學生在學習直線電動機時，通過ANSYS仿真軟件實現直線電動機的結構組成、磁場分布、電流密度分布等，使學生更加直觀的理解其工作原理。在電動機教學過程中使用一些輔助軟件可以真實的再現各種電動機的基本結構，使比較抽象的概念具體化[16]。實踐表明，使用ANSYS仿真軟件可以促進教學，提高學生的學習興趣。

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TheSimulationExperimentofLinearMachineMagneticFieldAnalysisinBasedonMaxwell3D

HUKun,DENGXianming，YEZongbin

(School of Electrical and Power Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu, China)

The teaching of special electrical machine is a continuation of the normal machine. The construction and magnetic field distribution of special electrical machine are different from those of the normal electrical machine, the concepts of all kinds of fields are very abstract. In order to increase the learning interest of the students and make the learning content of motor more intuitive, we take the linear machine as an example, do modeling and simulation by Maxwell 3D. The material properties of motor parts are defined in the simulation, and subdivision of stator and dynamic settings are completed, boundary condition is load, solving and post-processing are then carried out. This paper analyzes the magnetic field and electric current density, provides visual display of magnetic field distribution and information of torque. To strengthen students’ understanding of the basic structure and working principle of linear motor, we change the abstract concept of magnetic and electric fields into visualization, cultivate the students’ imagination and creativity. The presented method has reference value for the teaching process of other special electrical machine, and builds the foundation for virtual experiment and further researches of motors.

linear machine; simulation; magnetic field distribution

TM 359.4

A

1006-7167(2017)11-0107-03

2017-03-12

江蘇高校品牌專業建設工程項目，PPZY2015B132

胡 堃(1978-)，男，江蘇睢寧人，博士，副教授，主要研究方向是新型電動機的設計與應用。

Tel.：15005200335；E-mail：hucaipan@126.com