高性能AFPM无刷盘式电机的三维建模
目 录
1 绪论 1
1.1 本课题发展研究背景 1
1.2 常用三维建模软件对比分析 2
1.3 所选课题研究意义 3
2 AFPM无刷盘式电机概述和工作原理 4
2.1 AFPM无刷盘式电机概述 4
2.2 AFPM与RFPM比较区分 5
2.3 AFPM无刷盘式电机工作原理 6
2.4 盘式电机的应用 7
2.5 本课题选用AFPM无刷盘式电机优势 7
3 AFPM无刷盘式电机结构及材料参数选择 8
3.1 盘式电机结构方案 8
3.2 材料选定 9
3.3 AFPM无刷盘式电机关键参数选择 10
3.3.1 电机尺寸的选定 11
3.3.2 气隙厚度的确定 12
4 基于CATIA软件对AFPM无刷盘式电机的三维建模分析 13
4.1 CATIA软件简介 13
4.2 应用CATIA三维软件建模分析 13
4.2.1 AFPM各零部件 13
4.2.2 装配 21
4.3 三维建模对电机结构设计的辅助作用 23
5 性能优化后的高性能AFPM无刷盘式电机的三维建模 24
5.1 优化之后的AFPM无刷盘式电机的各项参数 24
5.2 优化后的电机三维建模 25
5.3 性能优化前后电机三维建模与分析 27
结论 29
致谢 30
参考文献 31
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
1 绪论
1.1 本课题发展研究背景
1821年，法拉第就已经发明了世界上第一台轴向磁场盘式电机。限于当时的材料技术和工艺水平，盘式永磁电机未能得到进一步发展。后期随着人们逐渐认识到普通圆柱式电机的一些弱点，从上世纪40年代起盘式轴向磁场永磁电机重新受到电机界研究人士的重视。
19世纪40年代开始就有有刷直流电动机诞生，并且得到广泛应用，因其采用电刷以机械方式进行换向，存在相对的机械摩擦，产生噪音、火花和电磁干扰等，寿命短且经常需要维护等诸多缺点。无刷直流电动机便是随着电力电子技术发展而出现的一种新型电动机。从产品市场来看，有刷电机属于传统产品，性能比较稳定。无刷电机则是升级产品，其寿命和性能均比有刷电机要好。无刷直流电动机是以自控方式运行的，针对直流电动机的弊端，相关研究人士提出了用电子换向装置取代机械换向装置的设想。随着现代科技的发展，特别是半导体技术以及新型永磁材料的飞速发展，1962年诞生了世界上第一台利用霍尔元件实现换向的永磁无刷直流电动机。
为了使电机综合性能达到最佳化，轴向磁通永磁无刷直流电动机(Axial-Flux Brushless Permanent Magnet Machine)，即本课题所研究的AFPM在1967年由J.Henry Baudot发明。电机是以磁场为媒介进行机电能量转换的电磁装置，因此在研究与设计电机时不可避免的要涉及电磁场的计算和分析。轴向永磁电机同时存在轴向和周向路径的磁通，分析电机磁场分布时，除了截取电机横截面简化为二维模型的简单方法外，准确计算需要进行三维建模分析。并且，首先通过对电机零件以及装配进行三维建模可以更加直观明了的对电机结构进行研究分析。
随着信息化进程的不断加快，CAD／CAE／CAM技术被不断引入和延续发展。基于传统二维产品的设计和制造需要消耗大量的时间，不能顺应当代制造系统因地制宜的要求，越来越多的用户反映没有标准件库也不提供标准件库的设立，给他们的设计工作带来了诸多不便，对设计效率也直接产生了严重的影响。因此，在汽车电机设计过程中，我们需要建立专业的“备件库”行业或公司来缩短产品设计开发周期的重要手段，提高产品质量和降低产品成本，提高设计工作效率。因此，以前的二维设计软件可以说早就满足不了当代汽车业对汽车设计和制造以及应用型人才的需求。如今，CATIA三维建模软件已经成为汽车专业人才必备的一项技能。
70年代初，Dassault Aviation成为CATIA三维建模软件的第一个用户，从1982年到1988年相继发布了1版本、2版本和3版本，并且在1993年发布了具有强大功能的4版本。发展至今，现在的CATIA软件又分V4版本和V5版本两个系列，V4版本主要应用于UNIX平台，V5版本则可以应用于UNIX和Windows两种平台，在应用上功能要比V4更加强大。
1.2 常用三维建模软件对比分析
目前常用三维软件很多，不同行业适用不同的软件，各种三维软件各有所长应该根据工作需要选择。比较常用的三维软件如：Maya、3D Studio Max、PRO-E、UG等，以及本课题选用的CATIA三维建模软件。
Maya
Maya是一个包含了许多各种内容的巨大的软件程序。Maya的工作流程非常得直截了当，与其它的三维程序也没有太大的区别。只需要熟悉一至两个星期，你就会适应Maya的工作环境，因而可以更深一步的探究Maya的各种高级功能，比如节点结构和Mel脚本等。对于一个没有任何使用三维软件程序经验的新用户来说，可能会因为它的内容广泛、复杂而无从下手。
3D Studio Max
3D Studio Max简称为3ds Max或MAX，是由Discreet公司开发的(后被Autodesk公司合并)基于PC系统的三维动画 渲染和制作软件。在Discreet 3Ds max 7后，正式更名为Autodesk 3ds Max最新版本是3ds max 2016。
3DS MAX有非常好的性价比，它所提供的功能已经远远超过了它自身低廉的价格，基本上一般的制作公司就可以承担的起，这样就可以使作品的制作成本大大降低，而且它对硬件系统的要求相比其他三维软件也是很低的，一般普通配置的计算机就可以满足大家学习的需要，个人认为这也是每个软件使用者所关心的问题。3D MAX的制作流程十分简洁高效，第一次学习不要被它一大堆的命令吓倒，只要对你的操作思路很清晰，那么上手是非常容易的，在后续的高版本中操作也十分简便，操作的优化更有利于初学者学习。随着互联网发展的普及，关于3D MAX的论坛在国内也相当火爆，这样我们如果有问题可以拿到网上大家一起讨论，更加方便我们学习与了解3D MAX三维建模软件。
Pro/E
Pro/Engineer软件是由美国参数技术公司(PTC)旗下推出的CAD/CAM/CAE一体化三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在当今世界的三维造型软件领域中占有着非常重要的地位。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且首先采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它还采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择安装，而不必安装所有模块浪费计算机内存。Pro/E基于特征方式，能够将设计乃至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，现在也可以应用到单机上。
1 绪论 1
1.1 本课题发展研究背景 1
1.2 常用三维建模软件对比分析 2
1.3 所选课题研究意义 3
2 AFPM无刷盘式电机概述和工作原理 4
2.1 AFPM无刷盘式电机概述 4
2.2 AFPM与RFPM比较区分 5
2.3 AFPM无刷盘式电机工作原理 6
2.4 盘式电机的应用 7
2.5 本课题选用AFPM无刷盘式电机优势 7
3 AFPM无刷盘式电机结构及材料参数选择 8
3.1 盘式电机结构方案 8
3.2 材料选定 9
3.3 AFPM无刷盘式电机关键参数选择 10
3.3.1 电机尺寸的选定 11
3.3.2 气隙厚度的确定 12
4 基于CATIA软件对AFPM无刷盘式电机的三维建模分析 13
4.1 CATIA软件简介 13
4.2 应用CATIA三维软件建模分析 13
4.2.1 AFPM各零部件 13
4.2.2 装配 21
4.3 三维建模对电机结构设计的辅助作用 23
5 性能优化后的高性能AFPM无刷盘式电机的三维建模 24
5.1 优化之后的AFPM无刷盘式电机的各项参数 24
5.2 优化后的电机三维建模 25
5.3 性能优化前后电机三维建模与分析 27
结论 29
致谢 30
参考文献 31
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
1 绪论
1.1 本课题发展研究背景
1821年，法拉第就已经发明了世界上第一台轴向磁场盘式电机。限于当时的材料技术和工艺水平，盘式永磁电机未能得到进一步发展。后期随着人们逐渐认识到普通圆柱式电机的一些弱点，从上世纪40年代起盘式轴向磁场永磁电机重新受到电机界研究人士的重视。
19世纪40年代开始就有有刷直流电动机诞生，并且得到广泛应用，因其采用电刷以机械方式进行换向，存在相对的机械摩擦，产生噪音、火花和电磁干扰等，寿命短且经常需要维护等诸多缺点。无刷直流电动机便是随着电力电子技术发展而出现的一种新型电动机。从产品市场来看，有刷电机属于传统产品，性能比较稳定。无刷电机则是升级产品，其寿命和性能均比有刷电机要好。无刷直流电动机是以自控方式运行的，针对直流电动机的弊端，相关研究人士提出了用电子换向装置取代机械换向装置的设想。随着现代科技的发展，特别是半导体技术以及新型永磁材料的飞速发展，1962年诞生了世界上第一台利用霍尔元件实现换向的永磁无刷直流电动机。
为了使电机综合性能达到最佳化，轴向磁通永磁无刷直流电动机(Axial-Flux Brushless Permanent Magnet Machine)，即本课题所研究的AFPM在1967年由J.Henry Baudot发明。电机是以磁场为媒介进行机电能量转换的电磁装置，因此在研究与设计电机时不可避免的要涉及电磁场的计算和分析。轴向永磁电机同时存在轴向和周向路径的磁通，分析电机磁场分布时，除了截取电机横截面简化为二维模型的简单方法外，准确计算需要进行三维建模分析。并且，首先通过对电机零件以及装配进行三维建模可以更加直观明了的对电机结构进行研究分析。
随着信息化进程的不断加快，CAD／CAE／CAM技术被不断引入和延续发展。基于传统二维产品的设计和制造需要消耗大量的时间，不能顺应当代制造系统因地制宜的要求，越来越多的用户反映没有标准件库也不提供标准件库的设立，给他们的设计工作带来了诸多不便，对设计效率也直接产生了严重的影响。因此，在汽车电机设计过程中，我们需要建立专业的“备件库”行业或公司来缩短产品设计开发周期的重要手段，提高产品质量和降低产品成本，提高设计工作效率。因此，以前的二维设计软件可以说早就满足不了当代汽车业对汽车设计和制造以及应用型人才的需求。如今，CATIA三维建模软件已经成为汽车专业人才必备的一项技能。
70年代初，Dassault Aviation成为CATIA三维建模软件的第一个用户，从1982年到1988年相继发布了1版本、2版本和3版本，并且在1993年发布了具有强大功能的4版本。发展至今，现在的CATIA软件又分V4版本和V5版本两个系列，V4版本主要应用于UNIX平台，V5版本则可以应用于UNIX和Windows两种平台，在应用上功能要比V4更加强大。
1.2 常用三维建模软件对比分析
目前常用三维软件很多，不同行业适用不同的软件，各种三维软件各有所长应该根据工作需要选择。比较常用的三维软件如：Maya、3D Studio Max、PRO-E、UG等，以及本课题选用的CATIA三维建模软件。
Maya
Maya是一个包含了许多各种内容的巨大的软件程序。Maya的工作流程非常得直截了当，与其它的三维程序也没有太大的区别。只需要熟悉一至两个星期，你就会适应Maya的工作环境，因而可以更深一步的探究Maya的各种高级功能，比如节点结构和Mel脚本等。对于一个没有任何使用三维软件程序经验的新用户来说，可能会因为它的内容广泛、复杂而无从下手。
3D Studio Max
3D Studio Max简称为3ds Max或MAX，是由Discreet
3DS MAX有非常好的性价比，它所提供的功能
Pro/E
Pro/Engineer软件是由美国参数技术公司(PTC)旗下推出的CAD/CAM/CAE一体化三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在当今世界的三维造型
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