高性能afpm无刷盘式电机的电磁场有限元分析
目 录
1 绪论 1
1.1 AFPM无刷盘式电机的概况 1
1.2 电磁场分析的基本方法 2
1.2.1 图解法的起源及运用 2
1.2.2 模拟法的运用 2
1.2.3 解析法的出现 2
1.2.4 数值解法的兴起 3
1.3 研究目的与意义 3
2 AFPM盘式电机的特性分析 4
2.1 盘式电机的结构及特点 4
2.1.1 传统径向电机原理 4
2.1.2 轴向电机原理 4
2.1.3 四种典型的盘式电机结构及特点 5
2.2 AFPM无刷盘式电机的生产工艺及材料分析 6
2.3 AFPM盘式电机的磁路分析 8
3 AFPM盘式电机有限元分析法的研究 9
3.1 电磁场分析理论基础——麦克斯韦方程组 9
3.2 有限元法的运用 10
3.3 Ansys软件的简介及运用 10
4 基于Ansys Maxwell软件双定子中间转子盘式电机的电磁场有限元分析 12
4.1 AFPM盘式电机有限元建模 12
4.2 模型的参数设计 16
4.2.1 添加材料 16
4.2.2 边界设置和添加激励源 16
4.2.3 网格剖分 17
4.2.4 设置band 18
4.3 运行仿真及结果处理 19
4.3.1 AFPM盘式电机静磁场求解结果 19
4.3.2 AFPM盘式电机瞬态磁场求解结果 20
5 参数优化后AFPM盘式电机的电磁场有限元分析 23
5.1 参数的变更及优化 23
5.1.1 确定优化方案 23
5.1.2 Maxwell有限元建模 24
5.2 模型仿真运行 25
结 论 28
参 考 文 献 30
1 绪论
1.1 AFPM无刷盘式电机的概况<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
参数优化后AFPM盘式电机的电磁场有限元分析 23
5.1 参数的变更及优化 23
5.1.1 确定优化方案 23
5.1.2 Maxwell有限元建模 24
5.2 模型仿真运行 25
结 论 28
参 考 文 献 30
1 绪论
1.1 AFPM无刷盘式电机的概况
轴向磁通永磁无刷直流电机(Axial-Flux Brushless Permanent Magnet Machine，简称AFPM)是盘式电机中的一种，也是应用最为广泛的一种。盘式电机又称轴向磁通电机，区别于传统的径向磁通电机，前者的气隙是垂直于转轴，磁场方向，后者气隙与转轴平行。世界上第一台取得专利的电机就是轴向磁通电机，但是由于一些技术方面的原因，盘式电机的发展被搁置了很久，主要是制造工艺复杂、定转子之间的轴向吸力大等等。
常规的径向电机的发展，也遇到了瓶颈。轴向尺寸较大，应用场合受到限制，转子散热问题，铁芯利用率低，齿槽效应等等阻碍径向电机的进一步发展。普通直流电机采用电刷换向，电刷容易磨损，需要定期维护，并且运行噪声大，换向时有电磁干扰。无刷电机用电子换向装置取代机械换向装置，保留了直流电机优良的调速性能，同时也使得结构简化，维护方便。随着稀土材料技术的进步，稀土永磁电机也迎来发展的春天。稀土永磁电机无需额外的励磁系统，相比传统励磁电机，具有结构简单、体积小重量轻、运行可靠等特点，并且保留传统励磁电机的高性能。稀土价格的降低，促使永磁电机从原来航空航天等高端领域逐渐普及到工农业生产和日常生活中。
随着一些高新技术产品的出现及应用，对永磁电机的性能和结构提出了更高的要求，例如机械手臂、卫星天线等，因此盘式永磁电机开始出现。发达国家的盘式电机的发展兴起于上世纪六七十年代，并且已经取得了极好的应用效果。我国在这方面起步较晚，不过已经也有不少机械制造厂掌握了相关的制造工艺和技术。然而同国外的差距还比较大，理论研究也不够完整深入。
由于径向电机存在的种种问题，从上世纪40年代起，人们就开始注意轴向磁通电机，并且在70年代投入到电车、水泵、风扇等方面应用。七十年代初期，发达工业国家对轴向磁通电机关注集中于盘式异步电机，到七十年代末期，为了适应工业的现代化需求，发展重点转移到轴向永磁无刷直流电机和轴向永磁同步电机。伴随辅助设计工具的发展，尤其是计算机技术的飞跃，各种结构的盘式电机也在不断发展完善，应用场合也越来越广泛。
1.2 电磁场分析的基本方法
最早对电机电磁场进行研究的是19世纪后期的卡特、赫得等人，分别对电机的磁通、气隙和电磁电枢齿部磁阻进行了研究。伴随科技的进步，新的研究方法不断出现，从最初的图解法，到实验室的模拟法，再到麦克斯韦方程组的应用，电磁场的分析方法又出现了解析法，最后由于计算机技术的飞速进步，运算能力大幅度提升，数值解法开始占据电磁分析的主流。
1.2.1 图解法的起源及运用
图解法伴随人们对电磁场研究产生的，近代科学家借助笔和纸，把自己观测到一些现象进行绘制，并用一些数学公式几何知识等来表达。由于技术的进步和研究的深入，图解法并没有消亡。在电机研究中，图解法一般用于对稳定磁场的求解。这是利用了稳定磁场的特性，绘制出其相应的等位线和磁力线。从图中曲线分布的状况，可以判断出具体磁场的强弱。人工绘图，对技术人员的绘图技巧和经验提出了很高的要求，否则会导致较大的误差，因此人工绘图较少采用，不过由于计算技术的大规模普及，绘图可以有计算机来实现，既提高了绘图效率，也使绘图精度大大增加。此外，由于图解法形象直观的特点，因此在电磁学的教学活动中，图解法仍然扮演重要的角色。
1.2.2 模拟法的运用
模拟法是通过实验装置模拟一些电磁学中的现象，并由相关仪器对实验过程的各项数据记录，再对其进行分析和研究。一般情况下，模拟法多用于对已知理论的验证，有时也会用于对未知现象的模拟。现代模拟法中，除了原有的物理模拟法，数学模拟法也是非常有效的方法。其模型的数学方程、边界条件等和原型的相关方程条件都是一样的。不过期各自的物理量的数据不一样。再用实验测得模型上的相关数据，可以模拟出原型的相关数据。模拟法由于对实验设备要求较高，因此实验室的建设成本比较高，用于模拟的实验也会花费较大的代价，有时实验不一定成功，所以应用并不是很广泛。
1.2.3 解析法的出现
解析法是由于麦克斯韦方程组引入而出现的。电磁场的求解可以理解为偏微分方程的求解过程，因此其方法也是多样的
1 绪论 1
1.1 AFPM无刷盘式电机的概况 1
1.2 电磁场分析的基本方法 2
1.2.1 图解法的起源及运用 2
1.2.2 模拟法的运用 2
1.2.3 解析法的出现 2
1.2.4 数值解法的兴起 3
1.3 研究目的与意义 3
2 AFPM盘式电机的特性分析 4
2.1 盘式电机的结构及特点 4
2.1.1 传统径向电机原理 4
2.1.2 轴向电机原理 4
2.1.3 四种典型的盘式电机结构及特点 5
2.2 AFPM无刷盘式电机的生产工艺及材料分析 6
2.3 AFPM盘式电机的磁路分析 8
3 AFPM盘式电机有限元分析法的研究 9
3.1 电磁场分析理论基础——麦克斯韦方程组 9
3.2 有限元法的运用 10
3.3 Ansys软件的简介及运用 10
4 基于Ansys Maxwell软件双定子中间转子盘式电机的电磁场有限元分析 12
4.1 AFPM盘式电机有限元建模 12
4.2 模型的参数设计 16
4.2.1 添加材料 16
4.2.2 边界设置和添加激励源 16
4.2.3 网格剖分 17
4.2.4 设置band 18
4.3 运行仿真及结果处理 19
4.3.1 AFPM盘式电机静磁场求解结果 19
4.3.2 AFPM盘式电机瞬态磁场求解结果 20
5 参数优化后AFPM盘式电机的电磁场有限元分析 23
5.1 参数的变更及优化 23
5.1.1 确定优化方案 23
5.1.2 Maxwell有限元建模 24
5.2 模型仿真运行 25
结 论 28
参 考 文 献 30
1 绪论
1.1 AFPM无刷盘式电机的概况<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
参数优化后AFPM盘式电机的电磁场有限元分析 23
5.1 参数的变更及优化 23
5.1.1 确定优化方案 23
5.1.2 Maxwell有限元建模 24
5.2 模型仿真运行 25
结 论 28
参 考 文 献 30
1 绪论
1.1 AFPM无刷盘式电机的概况
轴向磁通永磁无刷直流电机(Axial-Flux Brushless Permanent Magnet Machine，简称AFPM)是盘式电机中的一种，也是应用最为广泛的一种。盘式电机又称轴向磁通电机，区别于传统的径向磁通电机，前者的气隙是垂直于转轴，磁场方向，后者气隙与转轴平行。世界上第一台取得专利的电机就是轴向磁通电机，但是由于一些技术方面的原因，盘式电机的发展被搁置了很久，主要是制造工艺复杂、定转子之间的轴向吸力大等等。
常规的径向电机的发展，也遇到了瓶颈。轴向尺寸较大，应用场合受到限制，转子散热问题，铁芯利用率低，齿槽效应等等阻碍径向电机的进一步发展。普通直流电机采用电刷换向，电刷容易磨损，需要定期维护，并且运行噪声大，换向时有电磁干扰。无刷电机用电子换向装置取代机械换向装置，保留了直流电机优良的调速性能，同时也使得结构简化，维护方便。随着稀土材料技术的进步，稀土永磁电机也迎来发展的春天。稀土永磁电机无需额外的励磁系统，相比传统励磁电机，具有结构简单、体积小重量轻、运行可靠等特点，并且保留传统励磁电机的高性能。稀土价格的降低，促使永磁电机从原来航空航天等高端领域逐渐普及到工农业生产和日常生活中。
随着一些高新技术产品的出现及应用，对永磁电机的性能和结构提出了更高的要求，例如机械手臂、卫星天线等，因此盘式永磁电机开始出现。发达国家的盘式电机的发展兴起于上世纪六七十年代，并且已经取得了极好的应用效果。我国在这方面起步较晚，不过已经也有不少机械制造厂掌握了相关的制造工艺和技术。然而同国外的差距还比较大，理论研究也不够完整深入。
由于径向电机存在的种种问题，从上世纪40年代起，人们就开始注意轴向磁通电机，并且在70年代投入到电车、水泵、风扇等方面应用。七十年代初期，发达工业国家对轴向磁通电机关注集中于盘式异步电机，到七十年代末期，为了适应工业的现代化需求，发展重点转移到轴向永磁无刷直流电机和轴向永磁同步电机。伴随辅助设计工具的发展，尤其是计算机技术的飞跃，各种结构的盘式电机也在不断发展完善，应用场合也越来越广泛。
1.2 电磁场分析的基本方法
最早对电机电磁场进行研究的是19世纪后期的卡特、赫得等人，分别对电机的磁通、气隙和电磁电枢齿部磁阻进行了研究。伴随科技的进步，新的研究方法不断出现，从最初的图解法，到实验室的模拟法，再到麦克斯韦方程组的应用，电磁场的分析方法又出现了解析法，最后由于计算机技术的飞速进步，运算能力大幅度提升，数值解法开始占据电磁分析的主流。
1.2.1 图解法的起源及运用
图解法伴随人们对电磁场研究产生的，近代科学家借助笔和纸，把自己观测到一些现象进行绘制，并用一些数学公式几何知识等来表达。由于技术的进步和研究的深入，图解法并没有消亡。在电机研究中，图解法一般用于对稳定磁场的求解。这是利用了稳定磁场的特性，绘制出其相应的等位线和磁力线。从图中曲线分布的状况，可以判断出具体磁场的强弱。人工绘图，对技术人员的绘图技巧和经验提出了很高的要求，否则会导致较大的误差，因此人工绘图较少采用，不过由于计算技术的大规模普及，绘图可以有计算机来实现，既提高了绘图效率，也使绘图精度大大增加。此外，由于图解法形象直观的特点，因此在电磁学的教学活动中，图解法仍然扮演重要的角色。
1.2.2 模拟法的运用
模拟法是通过实验装置模拟一些电磁学中的现象，并由相关仪器对实验过程的各项数据记录，再对其进行分析和研究。一般情况下，模拟法多用于对已知理论的验证，有时也会用于对未知现象的模拟。现代模拟法中，除了原有的物理模拟法，数学模拟法也是非常有效的方法。其模型的数学方程、边界条件等和原型的相关方程条件都是一样的。不过期各自的物理量的数据不一样。再用实验测得模型上的相关数据，可以模拟出原型的相关数据。模拟法由于对实验设备要求较高，因此实验室的建设成本比较高，用于模拟的实验也会花费较大的代价，有时实验不一定成功，所以应用并不是很广泛。
1.2.3 解析法的出现
解析法是由于麦克斯韦方程组引入而出现的。电磁场的求解可以理解为偏微分方程的求解过程，因此其方法也是多样的
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