基于 ANSYS8.0 的永磁直線電動機的有限元分析 沈沉 （浙江工業大學 信息工程學院 電氣 011） 1 引言 隨著 直線電 動 機 近年來 的迅速 發展和廣泛 應用以及永磁材料性能的不斷提高和完善， 永磁直線電 動 機的發展也得到了更多的關注。與傳統的旋轉電機相比，直線電 動 機最主要的特點和優勢在于它可以把電磁能直接轉換成直線運動 的機械能 ，而無需使用旋轉到直線運動的中間 轉換裝置。 永磁 電 動 機采用永磁勵磁，省去了勵磁繞組和勵磁損耗 因而具有工藝簡單，體積小， 輕型化 ， 效率高等特點 。永磁直線 電動機兼具以上的兩種電動機的特點，因而 廣泛應用于數控機床，機器人技術等許多領域 。 為了滿足工程領域對新型 高性能 直線電 動 機 不斷增加 的需求 ， 許多新的技術和設計方法開始在直線電動機中得到應用。 其中 有限元分析方法作為一種可靠的工具在直線電 動 機 設計中的應用，使得工程人員 能夠 更深入的了解 設計對象 的運行情況 。 并且 和計算機輔助 設計 相結合，利用 通用有限元分析軟件 ANSYS 對電動機進行有限元仿真建模，讓設計變的更加直觀和簡便 。 2 目前 永磁 直線電動機 發展及 有待解決的 問題 永磁 直線電動機 概念 直線電動機 的工作原理和旋轉電動機沒有太大的區別， 我們可以把它看 做 是 旋轉電動機從 表 面切至 軸中心 然 后 攤平 。 圖 2.1 中顯示了這一 過程。 圖 2.1 旋轉電機展開得到直線電動機的過程 簡單的說 ， 永磁 直線電動機就是永磁激勵的直線電動機，它與其他直線電動機的區別在于勵磁部分采用永磁材料。 這種電動機的優勢是在于結合了直線電動機和永磁電動機兩者的特點。 它除了具有一般直線電動機直接驅動，制動性好等特點外，還具有永磁電機結構緊湊簡單 ，重量輕，轉矩和功率密度高等特點。 永磁 直線電動機 的最新應用舉例 目前 永磁 直線電動機的最新發展 之一 是 隧道致動器 .日立制作所下屬的日立研究所日前利用定位精度 非常高的直線驅動裝置（隧道致動器， Tunnel Actuator） ,在同類設備中實現了全球最高的 40G 加速度（重力加速度的 40 倍）。隧道致動器比原來的線性馬達（ Linear motor）更小，成本更低。今后將會有助于提高半導體制造設備及小型精密機床等設備的生產效率。該裝置力爭 1 2 年后達到實用水平。 過去，做為高速直線驅動裝置使用的線性馬達，從原理上講裝置體積龐大，而且必須要有很高的制作精度，因此存在生產成本高的問題。在這種情況下，人們一直希望能夠開發出一種體積小且成本低、能夠取代線性馬達的直線驅動 裝置。 日立設計的隧道致動器結構簡單，組裝方便。可減輕由永久磁鐵制成的原動機重量。此次通過減輕原動機重量，以及開發可承受加減速劇變的高速高精度控制系統，實現了世界上最高的加速度（ 40G），相當于線性馬達的 2 4 倍。 通過將原動機配置于上部磁極沖片和下部磁極沖片之間，抵消了磁極引力。由此便簡化了磁極縫隙的支撐結構，從而實現了小型化設計。由于是磁通量在上下磁極沖片之間進行傳導的結構，因此即使采用多極結構，也不會泄漏磁通量，從而就可確保巨大的推動力。作為原動機上的永久磁鐵，只需交替使用 N 極和 S 極即可輕 松形成。與原來的線性馬達不同，由于不需粘在鐵板上，因此重量不到原來的 1/5。即使采用多極結構，每極也只需要一個電樞繞組即可，因此就使得占生產成本一多半的繞線作業與導線處理更得非常簡單，從而就能降低成本 最近，德國的 Brckl S.等人開展了將直線電機用于超精加工機床進給驅動系統的研究工作，他們在同一臺亞微米車床上分別裝上永磁直線同步電機（ PMLSM： Permanent Magnet Linear Synchronous Motors）和帶精密滾珠絲杠的永磁同步旋轉 伺服電機 進行了對比實驗研究。 他們的研究結果 表明直線電機非常適合超精密加工機床。 最近，浙江大學研制了一種由直線電機驅動的沖壓機。日本 AIDA 公司開發了采用直線電機直接驅動的小型精密零件加工用 L-SF型新型成形壓力機。日本山田 DOBBY公司與 FANUC公司協作共同實施智能型高精度直線電機驅動壓力機實用化研究。該壓力機使用了示教式數控自動補償技術，在實際加工時，下死點精度可控制在 5 m 之內。 永磁 直線電動機 永磁材料舉例 稀土永磁材料是一種高性能功能材料，這種材料是許多高新技術產業的基礎。在電機中用永磁體可使電機產品輕型化、高性能化，與電力電子技術結合， 制成速度、轉矩可調的機一體化產品。 采用稀土永磁電機可以明顯減輕電機的重量，如 10kW 普通發電機，重量為 220kg，而稀永磁發電機為 92k8。德國西門子研制的 1095kW、 230rpm 六級永磁同步電動機，用于艦船的進，與過去使用的直流電動機相比，體積減少 60左右，總損耗降低 20。 稀土永磁電機高效節能，平均節電率高達 10，某些專用電機節電率高達 15 20，且價格合理。我國開發的高效節能稀土永磁電動機，在力能指標及價格方面，國外高效電機不能與之相比，在國際市場有極強的競爭力。世界 各國都把提高電動機的效率、節約電能作一件大事來抓，特別是美國， 1992 年美國前總統布什簽署批準了能源政策法，按該法令自199710 月 24 日之后，美國大部分一般效率電動機將不再生產，只允許生產高效率電動機，2002 年 10 月后將生產更高效率電動機， 2007 年 10 月后將生產技術上達到極限、經濟上可行最高效率電動機。 近年來，隨著稀土永磁材料性能的不斷提高，特別是釹鐵硼永磁材料的熱穩定性、耐腐性的改善和價格的逐步降低以及電力電子器件技術的進一步發展，稀土永磁電機的開發和應進入了一個新階段，一方面，原有開 發的成果在國防、工農業和日常生活等方面得到廣泛的用；另一方面，正向大功率化 (高轉速、高轉矩 )、高功能化和微型化方向發展，擴展新的電品種和應用領域。目前，稀土永磁電機的單臺容量已超過 1000kW，最高轉速已超過300000rpm，低轉速低于 0.01rplh，最小電機外徑只有 0.8mm，長 1.2mm。在步進電動機、開關磁阻電動、速同步電動機等特種電機中增加釹鐵硼永磁勵磁后，其技術經濟性能、動態響應特性都有明顯改進與提高。 永磁 直線電動機 有待解決的問題 永磁直線 電動機也存在一些問題：首先作為一種直線電動機，就要要 考慮它的端部效應的影響。其次它采用了永磁材料作為勵磁， 目前還有一些技術問題沒 有完全 解決，最大的一個是 AIFeB；第二永磁電機還有非常強的渦流 ,當溫度達 150 以上時 , 永磁電機的永久性去磁將導致整個電機完全報廢。 這些是永磁直線電動機設計中需要重點解決的因素 直線電機直接驅動單元的研究開發目標是提高電機性能，滿足應用要求。直線電機直接驅動單元的主要性能指標主要包括速度、加速度、推力及其波動、定位精度、重復定位精度、機械特性（速度 推力特性）、瞬態性能（速度響應）、速度穩定性和熱特性等。 3課題的研究 對象， 方向 和意義 隨著 高速加工機床對新型高速、高精密、大行程、大推力的進給系統的強烈需求。傳統的數控機床直線進給系統一直沿用“旋轉電機 +滾珠絲杠”的傳動方式，現已不能滿足高速加工的要求。而作為新型電機的永磁直線電機在這方面有著非常大的優勢和潛力。 因而永磁直線電機的研究有著很重要的現實意義，也有著很大的學術價值。課題將以目前主流的永磁直線電機作為研究對象。 然而即使這樣，因為永磁直線電機的種類繁多，要想全面的研究，不是 一個大四的學生所能辦到的， 所以 研究的重點決定放在永磁直線電機中最有潛力的永磁直線同步電 機中。 考慮到永磁直線電機理論的匱乏與研究方法的不足， 在這方面還沒有系統的理論和設計方法，目前在這方面的研究還都比較分散和單一，而且有些還沒有深入的研究。這會影響直線電機的反展和應用。 因此，課題定位為永磁直線電機直接驅動系統的基礎理論研究，重點包括電磁場特性、穩態特性、力場特性以及結構參數對電磁參數、力特性的影響、推力波動特性（邊端效應、齒槽效應）等。本課題的研究將為永磁直線電機的分析與設計、制造與選用建立理論基礎，為永磁直接驅動系統的控制奠定基礎。因此，本課題的研究在永磁直線電機直接驅動系統的設計、制造 與應用中具有“基礎”地位作用。 鑒于永磁材料在這類電機發展中起到的重要作用，課題會涉及一下這方面的內容，但不會很多。 4 課題采用的 方法 和軟件的介紹 本次課題 將采用有限元分析方法對永磁直線電動機進行分析 。 所用到的軟件為通用有限元軟件 ANSYS，下面是簡單的介紹。 有限元 分析 有限元分析（ FEA， Finite Element Analysis）的基本概念是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的 (較簡單的）近似解，然后推導求解這個域總的 滿足條件 (如結構的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能夠表示實際連續域的離散單元。有限元的概念早在幾個世紀前就已產生并得到了應用，例如用多邊形（有限個直線單元）逼近圓來求得圓的周長，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應用于航空器的結構強度計算，并由于其方便性、實用性和有效性而引 起從事力學研究的科學家的濃厚興趣。經過短短數十年的努力，隨著計算機技術的快速發展和普及，有限元方法迅速從結構工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術領域，成為一種豐富多彩、應用廣泛并且實用高效的數值分析方法。 有限元方法與其他求解邊值問題近似方法的根本區別在于它的近似性僅限于相對小的子域中。 20 世紀 60 年代初首次提出結構力學計算有限元概念的克拉夫（ Clough）教授形象地將其描繪為：“有限元法 =Rayleigh Ritz 法分片函數”，即有限元法是 Rayleigh Ritz 法的一種局部化情況。不同于求解（往 往是困難的）滿足整個定義域邊界條件的允許函數的Rayleigh Ritz 法，有限元法將函數定義在簡單幾何形狀（如二維問題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數），且不考慮整個定義域的復雜邊界條件，這是有限元法優于其他近似方法的原因之一。 簡單來說，有限元分析可分成三個階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網格劃分；后處理則是采集處理分析結果，使用戶能簡便提取信息，了解計算結果。 通用有限元分析軟件 ANSYS ANSYS 軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元 分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國 ANSYS 開發，它能與多數 CAD 軟件接口，實現數據的共享和交換，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I DEAS, AutoCAD 等， 是現代產品設計中的高級 CAD 工具之一。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型；分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析 以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優化分析能力；后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結構內部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了 100 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結構和材料。 這次設計將用它來進行永磁電動機的仿真建模及有限元分析。 4 設計思路及方案 電機內電磁場的分析計算是電機設計的基礎。它直接影響電機的性能和指標。 由于有限元方法能夠用 來對復雜的情況進行精確的分析， 本次課題，我們將采用有限元方法對永磁直流電動機 的電磁場進行 分析 和設計 ， 對如何降低端部效應進行優化設計，并在這個基礎上對永磁直線電機其他的缺陷進行深入的研究。這里 我們 準備了兩份方案， 先完成第一個方案，然后有時間再進行第二個方案的實驗 方案一 2D 首先我們通過 ANSYS 在計算機上建立一個與實際電動機相應的 2 維 有限元模型， 將原始電動機得到規格數據賦予這個模型。 然后在計算機上對這個模型進行仿真運行。在