轴向磁场永磁电机电磁力分析

论文总字数：17668字

目 录

1绪论 1

1.1研究背景及其意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3盘式无铁心电机的优越性 2

1.4论文目的和内容 3

2盘式无铁心永磁电机的结构及电磁力理论 3

2.1盘式无铁心永磁电机结构研究 3

2.1.1单定子、单转子盘式电机 4

2.1.2中间转子 5

2.1.3中间定子 5

2.1.4 多盘式 6

2.2电磁场分析理论基础 6

2.3盘式永磁同步电机的电磁力计算方法 8

3电机电磁场的有限元分析 9

3.1有限元介绍 9

3.2 Ansoft软件简单介绍 11

3.3有限元法的求解步骤 11

4 基于Ansoft有限元法对盘式永磁同步电机的电磁力分析 11

4.1创建3D几何模型 12

4.2添加材料 14

4.3添加激励源 16

4.4求解选项参数的设定 17

4.4.1力参数设置 17

4.4.2网格剖分设置 18

4.5分析自检 18

4.6计算结果及后处理 19

4.6.1网格剖分图 20

4.6.2磁通密度云图 20

4.6.3气隙磁密波形 21

4.7轴向电磁力的分析与计算 21

4.7.1利用有限元法计算轴向磁拉力 21

4.7.2利用麦克斯韦电磁吸力公式计算轴向磁拉力 22

5总结 23

参考文献 23

致谢 24

轴向磁场永磁电机电磁力分析

王心悦

,China

Abstract: Axial-flux permanent-magnet machines have many advantages such as short axial dimension, compactness and lightness, which make them widely used in marine , electric vehicle , gearless wind power generators and precision instrument. The special magnetic circuit structures make the axial magnetic field sufficient for topology, thus they can be used in different applications. For an AFPM machine，the axial magnetic force may cause the rotors’ deflection and affect the machine’s reliability. The magnetic field of a coreless stator AFPM machine was studied. Finite-element method was used to calculate the machine’s axial magnetic force

Key words: axial-flux permanent-magnet(AFPM); coreless stator; axial magnetic force；finite element analysis.

1绪论

1.1研究背景及其意义

20世纪80年代初，国际业界开始研究磁盘永磁同步电机，90年来，国外的人们试图在新能源发电系统中使用永磁同步发电机，这也是最早的使用盘式永磁同步电机的方法。到今天为止，市面上出现了各种各样的盘式永磁同步电机，在社会生活的各个方面活跃，盘式永磁同步电机具有运行时温度低，工艺良好，，质量小，运行安全稳定等优点，所以在风电，工业机器人，混合动力电动车，工农业控制，数控机床等高新技术产业中，可以看到光盘永久性磁体同步电机数字，这就是盘式永磁同步电机具有光明未来和远大前程的原因。盘式永磁同步电机最明显的特点之一是它的结构是圆盘式的，因此它归类于轴向磁场电机。传统电机运行时温度很高，耗费大量能量，而这种电机能量流失率小，质量轻，定子无损耗，使用时安全有保障。由于定子和转子以往复方式布置，并且定子绕组运行时温度不易过热，因此被相关行业所青睐。随着盘式永磁同步电机的飞速发展，现在已被广泛应用于信号处理，智能机器人，汽车，风力发电等行业，由于其被受公认的优良品质，较大的转矩，较高的使用效率，易于制造，外壳平薄，长度短小等特点，很多国家正在潜心探索永磁电机，决定在GIS，GPS全球定位系统上应用圆盘永磁同步电机。在生产盘式永磁同步电机的过程中，最重要的是要分析清楚转子盘之间的轴向磁拉力问题。

我国对盘式永磁同步电机的研究成果远远落后于国外先进水平，它有着光明的未来和远大的前程，在风电，工业机器人，电动车，工农业控制，智能家居上都占据一席之地。电机存在于我们生活的各个角落。推进社会主义现代化建设，解放生产力就是要求我们精益求精，勇攀技术高峰。盘式永磁同步电机有着公认的优良技术指标、较大的转矩、结构紧凑、外壳平薄、长度短小等优点。随着互联网技术的日益精进，大国也开始转变发展战略，向着攻坚克难科技方向转变。为了响应党中央提出的可持续健康发展的环保理念，我国大力提倡使用绿色环保产品。为了满足这些绿色环保产品能量流失率低，重量轻，利用率高，结构紧凑的特点，就需要对电机制造技术精益求精。展望以后，电机一定会和人们的生活紧密联系，拥有冷却温度低，工艺简单，重量轻，长度短小特点的永磁同步电机一定会在社会生活的各个行业发光发热。要想摸清永磁同步电机的工作原理，就必须先分析清楚它的电磁场包括轴向电磁力，这是具有深刻意义的。

1.2国内外研究现状

1985年蒋豪贤^[1]计算圆盘式气隙电磁场的磁通密度，他利用的是麦克斯韦方程组。他的结论是圆盘型轴向电机的磁场是旋转的，沿轴向减小，沿圆盘径向减小。1991年顾其山、候宏舒^[2]研究了三相绕组的永磁电机，并从二维平面角度对电机建模，沿着径向分成若干段，每段在轴向磁场电机上都运用斜波平衡法。1992年王临、何全谱^[3]摒弃三维磁场的复杂逻辑，站在二维平面的立场来分析，接着用麦克斯韦应力张量法得出了盘式永磁电机的磁场分布图。。

我国进入盘式电机研究行列是在六十年代，七十年代才有越来越多的学者加入盘式电机的研究队伍，他们很快研制出各式各样的电机，一开始轴向磁场永磁电机主要用于火箭发射，靠着它公认的优良品质，渐渐的在国防科技，汽车，风力发电，精密仪器等领域也能看到它的身影。目前我国盘式永磁同步电机领域已有自己的独门技术，但是还处于不成熟阶段，大力推进全新一代高性能电机惠及社会生活的各个方面，尽快把盘式永磁同步对我国制造行业目前的技术来讲，大量制造一批电机，仍然是十分有挑战性的工作，随着汽车逐渐进入千家万户的生活，我国也有大批的学者加入了盘式永磁同步电机的钻研队伍。

与国内研究进程相比，国外一些发达国家早就开始了对盘式永磁电机的钻研，1821年，法拉第完成了世界上第一台电动机雏形，其工作原理是利用通电线圈在磁场里受力转动。80年代，瑞士，美国开始竞相研制盘式异步电机，很快就弄出了名堂。80年代前后，NeFeB永磁同步电机有了很大的发展，相关学者对在恒定频率下工作的永磁电机进行了透彻分析，80年代中期，电机行业的研究学者已经建立出了很多永磁同步电机的物理和数学模型，也有很多关于电机正常运行和故障状态的研究论文相继发表。B.Sneyers^[4]提出了在建立PMSM数学模型时，电流分量可能会引起交叉耦合，随后就出现F.Parasiliit^[5]等人使用有限元分析方法修正电机模型。1986年，Tony Sebastian 发表了一篇文章阐述如何对永磁同步电机进行建模分析。

1.3盘式无铁心电机的优越性

对比于普通电机，盘式永磁电机具有很多优点，比如工作时机器表面温度不过热、易于制造、结构清晰易于观察等优点，处在能源危机的后时代，国内外业界的一大批专家和科研工作者都致力于研究替代清洁能源，因此盘式永磁电机已成为专家学者的研究首选，其研究和使用范围也在不断延伸。磁材料和制造工艺的新进展以及盘式异步电动机的成功试验，将对盘式永磁电机的研究与开发起到强有力的推动作用。

刚进入市场的盘式无铁心电机是一种特殊的电机，其特殊之处在于它具有长度短小、空间不大、易于制造、重量轻、转矩较大、能量流失率较少、工作时机器表面温度不高、部件结构简单、运行时安全可靠等特点。分析盘式永磁同步电机的电磁力，也就是研究电机的运行性能，对电机行业的发展具有很大贡献。

1.4论文目的和内容

本文首先介绍了研究永磁电机的重要意义、目前全世界的研究水平及永磁电机的优良性能。接着按照结构分门别类介绍盘式永磁电机，随后又介绍了麦克斯韦方程组。之后对计算盘式电机电磁力的三种运算方法包括虚位移法、法拉第电磁力公式和麦克斯韦电磁吸力公式以及Ansoft有限元软件进行了介绍。由于轴向磁场的存在，永磁同步电机具有较大的转矩和良好的动态响应特性,因此在工农业机器、国防科技、航空飞机领域得到了大范围使用，本文研究的是一种对称结构的电机，它的气隙结构中含有单定子，所以它的闭合磁路中没有定子铁心，于是产生了无铁心轴向磁场永磁电机。该电机具有效率高的特点，因为它没有齿槽转矩和定子铁耗，而且具有重量轻，功率密度高等特点。本文先运用Ansoft Maxwell建立盘式无铁心永磁电机三维模型，接着再利用有限元法和解析公式法分别计算轴向电磁力。

2盘式无铁心永磁电机的结构及电磁力理论

2.1盘式无铁心永磁电机结构研究

盘式无铁心永磁电机是一种新近研究出来的永磁电机，这类电机与以往制造出的永磁电机相比有很多共通点，盘式磁场无铁心永磁电机能把电能转化为机械能，它利用永磁体产生磁场。电机按照励磁方式分类，电动机可以分为依靠电和依靠永磁体来产生磁场。只有产生磁场的磁源输出符合要求的气隙磁密，电磁场才能产生感应电动势和电磁转矩。而励磁源可以是事先设计的带电线圈或永磁体。利用直流电流激发磁场的是普通直流电机和交流同步电机，这就是电励磁名称的由来，电磁式电机由此得名。但是我们发现永磁体受到外界同化后，在缺少附加情况的作用下，依然能够保持自己的本来性质，所以，能用永磁性材料作为直流电的补充激发磁场。因此这种利用永磁体作为材料的电机，就是永磁电机。本文研究的是盘式无铁心永磁同步电机，如图1所示的是一台电机的细节示意图。该电机外表面是平薄的，它的定、转子均类似圆形环状物，在电机中均匀排列。该轴向磁场无铁心永磁同步电机的细节图如下图1所示。

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