基于Maxwell的永磁直流電機(jī)磁場(chǎng)分布有限元分析

邱偉國(guó)　舒云峰　胡　瑞　趙修彬　高　原　尹春龍

(中鋼集團(tuán)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(jī)磁場(chǎng)分布有限元分析

邱偉國(guó)舒云峰胡瑞趙修彬高原尹春龍

(中鋼集團(tuán)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(duì)永磁直流電機(jī)定子模型進(jìn)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(chǎng)分布曲線。將仿真結(jié)果與實(shí)際參數(shù)進(jìn)行比較，驗(yàn)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(jī)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(duì)磁瓦的磁場(chǎng)分布的影響，量化不同參數(shù)對(duì)磁場(chǎng)的影響程度，縮短永磁直流電機(jī)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)周期，降低研發(fā)成本。

關(guān)鍵詞有限元分析永磁鐵氧體磁場(chǎng)分布影響因素

永磁直流電機(jī)是用永磁體建立磁場(chǎng)的一種直流電機(jī)。永磁直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種便攜式的電子設(shè)備或器具中，也廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、摩托車(chē)、家用電器等行業(yè)，在一些高精尖產(chǎn)品中也有廣泛應(yīng)用[1-2]。隨著時(shí)代的發(fā)展，原先用交流電機(jī)的許多場(chǎng)合已被永磁直流電機(jī)替代，永磁直流電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域逐漸增加。永磁直流電機(jī)磁瓦的磁場(chǎng)分布和中心磁密對(duì)永磁直流電機(jī)的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)有著重要意義。本文建立了磁瓦的三維有限元模型，通過(guò)Maxwell有限元分析軟件對(duì)磁瓦進(jìn)行分析，得出了磁瓦的磁場(chǎng)分布和中心磁密度。

1　電機(jī)機(jī)構(gòu)及工作原理

直流電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。直流電機(jī)利用帶電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力的作用并形成電磁轉(zhuǎn)矩，推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)質(zhì)上是一臺(tái)裝有換向裝置的交流電動(dòng)機(jī)[3]。直流電機(jī)的外加電壓并非直接加于線圈，而是通過(guò)電刷和換向器再加到線圈，電樞導(dǎo)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(jī)具有調(diào)速范圍寬、便于控制、體積小、效率高、銅耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，因而在家用電器、醫(yī)療設(shè)備、汽車(chē)電器、音像器具及電動(dòng)工具等方面應(yīng)用廣泛。由于其存在換向器件及永磁體，永磁直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，借助有限元分析軟件可以方便地分析永磁直流電機(jī)工作特性，對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改進(jìn)、運(yùn)行性能提高提供參考。

圖1　直流電機(jī)構(gòu)造示意1—主磁極；2—換向磁極；3—機(jī)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(chǎng)有限元方程

求解上式方程即得各個(gè)節(jié)點(diǎn)的矢量磁位的縱向分量，各個(gè)單元上的磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí)體建模與網(wǎng)格劃分的功能，憑借這個(gè)模塊用戶可以建立有限元模型，主要數(shù)據(jù)包括坐標(biāo)系統(tǒng)、單元剖分，單元和節(jié)點(diǎn)編號(hào)、定義實(shí)常數(shù)、材料參數(shù)、場(chǎng)源和邊界條件的輸入等。

(2)分析求解模塊。在前處理的實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分后，就可以使用分析求解模塊得到結(jié)果。分析求解模塊主要包括結(jié)構(gòu)分析、流體力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析等，即對(duì)模型進(jìn)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(gè)模塊結(jié)束后，后處理模塊對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，直接將求解結(jié)果保存于數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)可以將梯度、矢量、粒子流及云圖等計(jì)算結(jié)果以圖形方式顯示出來(lái)，也可以以圖表或曲線的方式輸出結(jié)果。

3　模型建立

永磁直流電機(jī)(型號(hào)385)的參數(shù)如表1所示。

表1　直流電機(jī)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(jī)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(chǎng)磁通密度分布曲線，如圖3。由圖2和圖3可知，通過(guò)采用Maxwell 16.0有限元分析，可以獲得直流電機(jī)工作時(shí)其內(nèi)部磁瓦的磁力線和中心磁場(chǎng)磁通密度分布情況。

4　驗(yàn)證模型分析結(jié)果

表2是采用有限元分析方法和實(shí)際測(cè)量得到的兩種不同規(guī)格磁瓦參數(shù)時(shí)的中心磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。

圖2　磁瓦在電機(jī)內(nèi)部的磁力線分布

圖3　磁瓦中間軸線的中心磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度

磁瓦外半徑/mm磁瓦內(nèi)半徑/mm磁瓦圓心角/(°)磁瓦弦長(zhǎng)/mm磁瓦軸高/mm磁瓦厚度/mm中心磁場(chǎng)強(qiáng)度/mT模擬實(shí)測(cè)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(guò)采用有限元分析方法得到的中心磁場(chǎng)強(qiáng)度的模擬值與實(shí)驗(yàn)值非常接近，因此，可以通過(guò)改變不同的磁瓦參數(shù)(機(jī)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(duì)磁瓦的磁力線及中心磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的影響。采用Maxwell 16.0有限元分析軟件對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免了使用繁瑣的實(shí)物來(lái)驗(yàn)證，這樣可以縮短設(shè)計(jì)和分析的周期，降低設(shè)計(jì)成本，加快該類(lèi)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，找出較優(yōu)的電機(jī)永磁鐵氧體磁瓦參數(shù)[8-9]。

5　結(jié)　論

建立了永磁直流電機(jī)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(duì)該模型進(jìn)行有限元分析，得出了磁瓦在電機(jī)中的磁力線和中心磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。有限元軟件模擬分析得到的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)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(yīng)強(qiáng)度分布。采用有限元分析軟件改變磁瓦的各項(xiàng)參數(shù)(機(jī)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(xiàng)參數(shù)對(duì)磁瓦的磁力線及中心磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的影響，從而量化了不同的參數(shù)對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響程度，縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)周期，降低成本。

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(收稿日期2016-05-05)

邱偉國(guó)(1978—)，男，高級(jí)工程師，碩士，243000 安徽省馬鞍山市。