摘要圓筒型永磁直線電機(jī)相比于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)而言，由于其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，可以在實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)擺脫中間轉(zhuǎn)換裝置的束縛，其具備直線速度不受限制、機(jī)械損耗較小、適用場合較多等優(yōu)點(diǎn)，隨著直線電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，圓筒型永磁直線電機(jī)被廣泛應(yīng)用于工用生產(chǎn)、民用生活及軍用設(shè)備制造等一系列直線運(yùn)動(dòng)的場合，因此針對(duì)圓筒型永磁直線電機(jī)的研究具有重要意義。首先，本文對(duì)圓筒型永磁直線電機(jī)的發(fā)展演變過程及其內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡要介紹，并針對(duì)電機(jī)運(yùn)行過程的基本特性及直線電機(jī)工作原理進(jìn)行分析，為圓筒型永磁直線電機(jī)電磁特性分析建立基礎(chǔ)。其次，從電磁場分析方法、時(shí)變電磁場基本方程、本構(gòu)關(guān)系、邊界條件等方面簡單敘述電磁場分析理論，并對(duì)有限元方法的發(fā)展及原理進(jìn)行相關(guān)敘述。然后，對(duì)本文所用電磁場仿真軟件ANSYSMaxwell進(jìn)行了簡單介紹，并對(duì)電磁場仿真基本步驟進(jìn)行了說明。在此基礎(chǔ)上，搭建8極12槽圓筒型永磁直線電機(jī)等比例二維模型，從幾何模型建立、網(wǎng)格剖分、求解、后處理等流程對(duì)仿真過程進(jìn)行詳細(xì)說明，并得到圓筒型永磁直線電機(jī)瞬態(tài)電磁分布特性及變化規(guī)律。最后，仿真值及理論值的對(duì)比結(jié)果表明，該模型能夠準(zhǔn)確的模擬分析圓筒型永磁直線電機(jī)的瞬態(tài)電磁特性，對(duì)電機(jī)的故障診斷及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的理論支持，具有一定的工程意義。關(guān)鍵詞：圓筒型永磁直線電機(jī)；電磁場；ANSYSMaxwell；瞬態(tài)場；ABSTRACTComparedwithtraditionalrotarymotor,tubularpermanentmagnetlinearmotor(TPMLM)cangetridoftherestrictionofintermediateconversiondevicewhenitisinlinearmotionbecauseofitsoptimizedstructure.TPMLMhasadvantagessuchasthatthelinearspeedisnotlimited,machinelossissmall,andtherearerelativelymanyapplications.Withthedevelopmentoflinearelectrictechnology,cylindricalpermanentmagnetsarewidelyappliedinindustrialproductionandcivilproduction.Thephrasehasanimportantmeaning.First,thispaperbrieflyintroducesthedevelopmentchangeprocessandinternalbasicstructureofthecylindricalpermanentmagneticlinearmotorandanalyzesthebasiccharacteristicsofthemotoroperationprocessandtheworkingprincipleofthelinearmotortoanalyzethecylindricalpermanentmagneticlinearmotor.Basedonanalysisofelectronicproperties.Next,theanalysistheoryoftheelectromagneticforcewasbrieflydescribedintermsofthemethodofanalyzingtheelectromagneticforce,thebasicequationofthetime-varyingmagneticfield,thestructurerelation,andtheboundaryconditions,andthedevelopmentandprincipleofthefinitecirclemethodweredescribed.Next,webrieflyintroducedANSYSMaxwell,theelectromotiveforcesimulationsoftareusedinthispaper,andexplainedthebasicprocedureoftheelectromotiveforcesimulation.Basedonthis,an8-pole,12-rowcylindricalpermanentmagnetstraightlineBuildaproportionaltwo-dimensionalmodelsuchasamotor,explainthesimulationprocessindetailintheprocessofbuildingageometricmodel,gridsegmentation,decomposition,andpost-processing,andobtainacylindricalpermanentmagnetlinearmotorinstantaneousdistributioncharacteristicsandchangerulesTodo.Finally,basedonthecomparisonofthesimulationvalueandthetheoreticalvalue,thismodelhasthetransientelectricalandelectricalcharacteristicsoftheaccuratecylindricalpermanentmagnetlinearmotor,andhasacertaintheoreticalvalueforthefaultdiagnosisofthemotorandtheoptimizationdesignofthestructure.Providesupportandhavecertainprocessimplications.Keywords:TPMLM；Keywordselectromagneticfield；ANSYSMaxwell；transientfield;目錄TOC\o"1-3"\h\u8604摘要 I16750ABSTRACT II目錄 III9202第1章緒論 1124601.1本課題研究背景與意義 1161561.2TPMLM的發(fā)展概況及基本結(jié)構(gòu) 2167991.2.1TPMLM的發(fā)展概況 234721.2.2TPMLM的基本結(jié)構(gòu)及特性 2226591.2.3TPMLM的工作原理 5122291.3本文的的研究內(nèi)容 629785第2章電磁場分析方法與有限元 6121632.1電磁場分析方法 6275282.1.1電磁場基本分析方法 657272.1.2時(shí)變電磁場基本方程 8171112.1.3時(shí)變電磁場本構(gòu)關(guān)系與本構(gòu)方程 965072.1.4時(shí)變電磁場的位函數(shù)及其規(guī)范 1063772.1.5時(shí)變電磁場的邊界條件 1128592.2電機(jī)有限元分析理論 11130252.2.1有限元的發(fā)展 1136462.2.2有限元的基本思想和步驟 12232552.3ANSYSMaxwell簡介 1357402.3.1ANSYSMaxwell軟件簡介 1318592.3.2ANSYSMaxwell軟件的主要特點(diǎn) 13294192.3.3ANSYSMaxwell基本仿真流程 1414996第3章TPMLM仿真模型建立 15133493.1建立有限元模型 15175353.1.1TPMLM電機(jī)參數(shù) 1541583.1.2仿真模型創(chuàng)建 1668623.1.3材料定義及分配 20177013.1.4激勵(lì)源與邊界條件定義及加載 21280953.1.5運(yùn)動(dòng)選項(xiàng)設(shè)置 23112683.1.6求解選項(xiàng)設(shè)置 24317873.2求解及后處理 2644173.2.1定位推力波動(dòng)分析 2635973.2.2繞組反電動(dòng)勢分析 27157273.2.3繞組磁鏈分析 28287093.2.4磁力線分析 28160973.2.5磁密分布情況分析 3025030結(jié)論 3216572參考文獻(xiàn) 3311800致謝 35PAGEPAGE7第1章緒論1.1本課題研究背景與意義目前，對(duì)于生產(chǎn)生活及設(shè)備制造過程中的直線驅(qū)動(dòng)裝置而言，其結(jié)構(gòu)多為采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)為出力設(shè)備，并結(jié)合中間轉(zhuǎn)換裝置的直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但該系統(tǒng)空間限制問題明顯，且中間轉(zhuǎn)換裝置會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精度以及效率下降[1-3]。20世紀(jì)下半葉，多種學(xué)科得到快速發(fā)展，為了擺脫傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的空間限制問題，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率，直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)產(chǎn)生。直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)是直線電機(jī)的核心技術(shù)，其主要意義在于直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的產(chǎn)生過程中，省略中間轉(zhuǎn)換裝置，從而使得電能轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能的效率得以提高。直線電機(jī)結(jié)構(gòu)主要有扁平型、圓筒型及盤型，具體結(jié)構(gòu)可依據(jù)直線電機(jī)的使用要求進(jìn)行選擇。目前，由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、民用生活及軍用設(shè)備制造等系統(tǒng)對(duì)直線運(yùn)動(dòng)設(shè)備的精度及效率方面的需求，使得直線電機(jī)在上述場合廣泛應(yīng)用，由于直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其工作原理，使其具備以傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)的設(shè)備所不存在的優(yōu)點(diǎn)[4-5]。采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的裝置和其它非直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的裝置相比，具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：直線電機(jī)的核心原理為直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)，該技術(shù)使得直線電機(jī)相較于傳統(tǒng)電機(jī)而言在空間使用效率、能量轉(zhuǎn)換效率方面得以提高，且設(shè)備生產(chǎn)、日常使用、維護(hù)方面得到簡化。（2）直線電機(jī)由于采用區(qū)別于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)，因此在運(yùn)行過程中其內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)不受旋轉(zhuǎn)慣性的作用，由旋轉(zhuǎn)慣性所導(dǎo)致的設(shè)備磨損及轉(zhuǎn)速限制問題得到解決。（3）直線電機(jī)在運(yùn)行過程中，可將電能直接轉(zhuǎn)化為直線驅(qū)動(dòng)能量，由于其結(jié)構(gòu)不存在中間轉(zhuǎn)換裝置并且在直線運(yùn)動(dòng)過程中無機(jī)械間的直接接觸，因此內(nèi)部零件磨損較小。（4）直線電機(jī)相較于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)而言，噪聲、溫升較小，并且由于其結(jié)構(gòu)的可封閉性，適用場合較多，且具備惡劣環(huán)境工作能力。雖然直線電機(jī)具備較多優(yōu)點(diǎn)，但受到其結(jié)構(gòu)的影響，直線電機(jī)仍存在較多問題。（1）對(duì)于直線電機(jī)而言，最明顯的問題為端部效應(yīng)，由于直線電機(jī)兩端斷開，因此在電機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中，其端部磁場會(huì)產(chǎn)生明顯畸變，受到端部磁場畸變的影響，直線電機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生較多異常損耗，使得在端部出現(xiàn)推力減小的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生整個(gè)運(yùn)行過程的較明顯運(yùn)行波動(dòng)。（2）受到端部效應(yīng)的影響，直線電機(jī)在控制方面難度較高，由于直線電機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中，電磁參數(shù)不斷變化，且端部推力波動(dòng)明顯，使得直線電機(jī)的控制要求較高。另一方面受到直線電機(jī)結(jié)構(gòu)的影響，其安裝較為復(fù)雜，且磁屏蔽問題需要注意。由于直線電機(jī)結(jié)構(gòu)上所產(chǎn)生的電磁分布問題較為明顯，因此針對(duì)直線電機(jī)電磁分布分析顯得尤為重要，本文以圓筒型直線永磁電動(dòng)機(jī)(tubularpermanentmagnetlinearmotor，TPMLM)電磁特性為研究對(duì)象，通過ANSYSMaxwell仿真軟件對(duì)TPMLM進(jìn)行二維電磁仿真，分析空載狀態(tài)下電機(jī)內(nèi)部電磁分布特性及推動(dòng)力特性，為直線電機(jī)瞬態(tài)電磁分布特性提供參考。1.2TPMLM的發(fā)展概況及基本結(jié)構(gòu)1.2.1TPMLM的發(fā)展概況早在1917年就出現(xiàn)了第一臺(tái)圓筒型直線電機(jī)，在20世紀(jì)50年代中期，隨著多種學(xué)科及技術(shù)的迅速發(fā)展，直線電動(dòng)機(jī)的發(fā)展速度加快，直線發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢開始得到體現(xiàn)，其應(yīng)用范圍也越來越廣泛。例如，帶有線性電動(dòng)機(jī)的磁流體泵，自動(dòng)繪圖設(shè)備，磁頭定位設(shè)備等。1971年后，直線電機(jī)進(jìn)入了一個(gè)新的獨(dú)立應(yīng)用階段，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)不適用的場合（石油開采、磁懸浮列車、金屬冶煉、以及多種直線運(yùn)動(dòng)場合），直線電機(jī)各種相關(guān)理論及應(yīng)用得到發(fā)展。1.2.2TPMLM的基本結(jié)構(gòu)及特性直線電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)存在較大區(qū)別[6-7]，將傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)由中軸剖開，進(jìn)而將其展開成平面則可得到直線電機(jī)基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示為TPMLM演變過程。圖1-1TPMLM演變過程相較于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，直線電機(jī)在推力-速度特性、電流-氣隙特性、推力-負(fù)荷因數(shù)特性、推力-線電壓/功率特性方面存在一定的差異，上述特性可分別通過公式1-1~1-3進(jìn)行計(jì)算。(1-1)式中，vs表示同步速度，v表示運(yùn)行速度，單位均為m/s(1-2)式中，F(xiàn)st表示起動(dòng)推力，F(xiàn)u表示摩擦力，單位均為N，vf表示空載速度。(1-3)式中，T表示一個(gè)周期時(shí)間，T1+T2表示整個(gè)通電時(shí)間。在上述計(jì)算的基礎(chǔ)上，可得到直線電機(jī)特性曲線，分別如圖1-2~1-7所示。圖1-2推力-速度特性曲線圖1-3推力-氣隙特性曲線圖1-4電流-氣隙特性曲線圖1-5推力-負(fù)荷因數(shù)特性曲線圖1-6推力-線電壓特性曲線圖1-7推力-功率特性曲線TPMLM在運(yùn)動(dòng)過程中，其基本運(yùn)行原理與運(yùn)行方式與一般直線電機(jī)類似，即在直線方向TPMLM的定子與動(dòng)子進(jìn)行相對(duì)位移從而產(chǎn)生直線驅(qū)動(dòng)力，但與一般直線電機(jī)相區(qū)別的是，TPMLM不存在繞組端部，因此TPMLM不存在一般直線電機(jī)的邊端效應(yīng)[8-11]，但在對(duì)TPMLM進(jìn)行分析時(shí)需要注意由于其結(jié)構(gòu)問題所產(chǎn)生的漏磁系數(shù)的差別，在計(jì)算TPMLM漏磁系數(shù)時(shí)定義初級(jí)內(nèi)徑為D1，則對(duì)于槽高為hs1、槽寬為bs1的開口槽，其槽漏磁導(dǎo)系數(shù)可按式(1-4)進(jìn)行計(jì)算：(1-4)若次級(jí)嵌置環(huán)裝導(dǎo)條，令次級(jí)外徑為D2，槽高為hs2，槽口為bs2，其槽漏磁導(dǎo)系數(shù)可按式(1-5)進(jìn)行計(jì)算：(1-5)當(dāng)忽略TPMLM邊端效應(yīng)時(shí)，TPMLM的推力Fst可通過下式進(jìn)行計(jì)算：(1-6)式中，ρr為次級(jí)表面電阻，Js為初級(jí)表面電流，A為電機(jī)作用面積。TPMLM的運(yùn)行特性曲線如圖1-8所示，由圖可以看出，在輸入功率2~5kVA的區(qū)間，F(xiàn)st/P保持在62~64N/kVA，而此時(shí)對(duì)應(yīng)的Fst/M維持在13N/kg。圖1-8TPMLM運(yùn)行特性曲線1.2.3TPMLM的工作原理TPMLM的工作原理區(qū)別于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)但與一般直線電機(jī)工作原理類似，以三相TPMLM為例進(jìn)行分析，當(dāng)TPMLM正常運(yùn)行時(shí)，以電流為激勵(lì)源，繞組在電流的作用下，感應(yīng)產(chǎn)生氣隙磁場，結(jié)合TPMLM的演變過程，其內(nèi)部氣隙磁場類似傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)平面展開情況，但該氣隙磁場不再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而是進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，為了與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)磁場進(jìn)行區(qū)分，一般將直線電機(jī)氣隙磁場稱之為行波磁場，結(jié)合圖1-9可以看出，行波磁場基本為正弦波，且TPMLM中行波磁場運(yùn)行速度與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的線速度一致，vs稱為同步速度，且vs滿足：(1-7)結(jié)合圖1-9對(duì)直線電機(jī)次級(jí)受行波磁場的影響進(jìn)行初步分析，在行波磁場的作用下，TPMLM的次級(jí)將產(chǎn)生感應(yīng)電流，此時(shí)，TPMLM的運(yùn)動(dòng)軸電流與氣息磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，該電磁力成為TPMLM的直線驅(qū)動(dòng)力，使得TPMLM沿直線運(yùn)動(dòng)。圖1-9TPMLM工作原理1.3本文的的研究內(nèi)容（1）了解TPMLM的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，掌握TPMLM的結(jié)構(gòu)組成及工作原理。（2）了解電磁場計(jì)算的基本方法及有限元法的基本原理和計(jì)算過程。（3）學(xué)習(xí)并掌握ANSYSMaxwell仿真軟件對(duì)于模型建立、網(wǎng)格剖分、求解設(shè)置、后處理及結(jié)果分析的基本操作流程。（4）應(yīng)用ANSYSMaxwell軟件建立TPMLM二維仿真模型，并模擬電機(jī)空載時(shí)的運(yùn)行狀況，對(duì)不同時(shí)刻下電機(jī)的電磁場分布進(jìn)行分析與總結(jié)。（5）對(duì)TPMLM在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中的繞組磁鏈、磁密分布、反電動(dòng)勢及推動(dòng)力進(jìn)行分析，并總結(jié)其變化規(guī)律。第2章電磁場分析方法與有限元2.1電磁場分析方法2.1.1電磁場基本分析方法電機(jī)磁場分析的基本方法基本可以等價(jià)為：設(shè)置電機(jī)磁場分析的約束條件（邊界、初始條件），在約束條件的基礎(chǔ)下進(jìn)行偏微分方程組的計(jì)算，并得到約束條件下的唯一解，從而實(shí)現(xiàn)電磁場計(jì)算與分析。工程上常用的方法有模擬法、解析法、圖解法及計(jì)算法四中方法對(duì)電磁場問題進(jìn)行求解[12-18]。如圖2-1所示，為電磁場基本方法示意圖。圖2-1電磁場問題的基本求解方法不同方法適用于不同的求解問題中，一般根據(jù)具體問題選擇具體求解方法[19-20]。（1）解析法解析法的核心在于：在滿足初始狀態(tài)及邊界條件約束下找到一個(gè)連續(xù)可導(dǎo)函數(shù)，然后將該函數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)帶入到所求偏分方程中得到恒等式。解析法的優(yōu)點(diǎn)在于求解精確，但求解限制較大，只在某些特定的邊界條件下才能利用解析法進(jìn)行求解，因此在實(shí)際的電機(jī)電磁場求解問題中受限較大，其應(yīng)用范圍較小。（2）圖像法圖像法常用于對(duì)電機(jī)穩(wěn)態(tài)場問題的求解，其主要求解思路是根據(jù)穩(wěn)態(tài)場特性畫出相應(yīng)的磁力線及等位線分布情況，根據(jù)曲線的稀疏及密集程度直觀的分辨出磁場的大小。早期，在傳統(tǒng)解析法明顯受限的情況下，圖像法成為電機(jī)磁場求解問題常用的有效方法。圖像法的有點(diǎn)在于直觀、形象、求解范圍大，缺點(diǎn)在于精確性較低，且在出圖時(shí)往往需要反復(fù)進(jìn)行修改。雖然理論上，圖像法不受區(qū)域內(nèi)是否存在電流及媒質(zhì)線性與否的限制，但圖像法對(duì)于非線性媒介姐有電流區(qū)域的求解過程非常復(fù)雜，因此，一般對(duì)于非線性媒質(zhì)及無電流區(qū)域的穩(wěn)態(tài)磁場求解問題，才選擇圖像法。綜上所述，雖然理論上圖像法在工程實(shí)際中能夠應(yīng)用，但其準(zhǔn)確性較低，且對(duì)于沒有作圖技巧及經(jīng)驗(yàn)的然來說，很難達(dá)到工程技術(shù)指標(biāo)要求。（3）模擬法模擬法主要是利用某種合適的裝置對(duì)磁場進(jìn)行模擬，并通過對(duì)裝置的不斷測試求得最優(yōu)解。早期，模擬法常用于對(duì)邊界形狀比較復(fù)雜的電磁場進(jìn)行求解。在計(jì)算機(jī)技術(shù)及電力電子器件被廣泛應(yīng)用之前，模擬法以其精度較高且適用范圍較廣的優(yōu)點(diǎn)稱為備受歡迎的一種求解方法。至今，模擬法依然應(yīng)用于某些場合，但其缺點(diǎn)在于需要配備一套專門的模擬設(shè)備及相應(yīng)的測量儀器，且對(duì)于不同的求解問題其設(shè)備需求及參數(shù)范圍不同，計(jì)算過程過于復(fù)雜且消耗成本較大。（4）數(shù)值解法數(shù)值法的計(jì)算思路是把求解域剖分成有限多個(gè)單元或網(wǎng)格，然后以網(wǎng)格或者單元上各節(jié)點(diǎn)值為未知量，借助合適的數(shù)學(xué)模型建立代數(shù)方程組，最后利用迭代法計(jì)算出方程組中各個(gè)未知數(shù)的函數(shù)值。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，由于模擬法不受求解區(qū)域限制且求解精度較高，成為當(dāng)今求解磁場問題的最主要的方法。其中，有限元法是數(shù)值求解中最常用的方法。由于對(duì)于有限元法的研究已經(jīng)較為完備且相應(yīng)的計(jì)算軟件也較為成熟，因此該方法被廣泛應(yīng)用在電機(jī)的電磁場計(jì)算分析中。國際上常用的有限元軟件主要有AYSYS、ANSOFTMAXWELL等。2.1.2時(shí)變電磁場基本方程時(shí)變電磁場分析的基礎(chǔ)是以積分形式及微分形式的電磁場方程(Maxwellequations,Lawofconservationofcharge,Lorentzlawofforce)為基礎(chǔ)，其中麥克斯韋方程的微分形式為：（2-1）式中，H代表磁場強(qiáng)度；J代表傳導(dǎo)電流密度；B代表磁通密度；D代表電位移；ρ代表自由電荷體密度。麥克斯韋方程的積分形式為：(2-2)電流連續(xù)性定律可以視為電荷守恒定律的另一種表達(dá)形式，對(duì)于電磁場中絕對(duì)封閉不關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)而言，當(dāng)其內(nèi)部產(chǎn)生變化時(shí)，其中電荷數(shù)值的累積結(jié)果保持不變，電流連續(xù)性方程的微分形式為：(2-3)對(duì)于恒定電流而言，等式右側(cè)等于0，表明恒定電流為無源場，電流線連續(xù)閉合。電流連續(xù)方程的積分形式為：(2-4)對(duì)于分布在電磁中的電荷或電流，其單位體積受力積分形式：(2-5)微分形式：(2-6)2.1.3時(shí)變電磁場本構(gòu)關(guān)系與本構(gòu)方程由于電磁場作用下存在極化強(qiáng)度矢量P對(duì)應(yīng)的極化狀態(tài)，磁化強(qiáng)度矢量M對(duì)應(yīng)的磁化狀態(tài)，及傳導(dǎo)電流密度J對(duì)應(yīng)的傳導(dǎo)狀態(tài)，在微觀條件下各個(gè)參數(shù)與其相應(yīng)的狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)，其物理關(guān)系明確，但是代表各個(gè)狀態(tài)的特征參數(shù)實(shí)驗(yàn)過程中難以有效量測，因此需要借助新的關(guān)系用以描述物質(zhì)宏觀電磁特性，即本構(gòu)關(guān)系[21-22]；另一方面，對(duì)于時(shí)變電磁場基本方程之間的給非立性以及變量多、方程數(shù)目較少的問題，也需要引入本構(gòu)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)電磁場基本方程的完備性。本構(gòu)關(guān)系的具體數(shù)學(xué)表達(dá)形式即為本構(gòu)方程，電磁場分析計(jì)算中一般以電感應(yīng)強(qiáng)度D、電場強(qiáng)度E、磁感應(yīng)強(qiáng)度B及磁場強(qiáng)度H為分析對(duì)象，建立本構(gòu)方程，對(duì)于各向同性媒質(zhì)，存在：(2-7)(2-8)對(duì)于線性、各向均勻媒質(zhì)，存在：(2-9)(2-10)對(duì)于各向異性媒質(zhì)，其本構(gòu)關(guān)系為：(2-11)(2-12)由于二階張量比標(biāo)量復(fù)雜的多，因此，一般情況下電磁場計(jì)算值討均勻線性各向異性媒質(zhì)的情況。2.1.4時(shí)變電磁場的位函數(shù)及其規(guī)范為了使電磁場計(jì)算進(jìn)一步得到簡化，可通過引入位函數(shù)來描述時(shí)變電磁場。由麥克斯韋方程組的磁通連續(xù)定理▽·B=0，根據(jù)矢量恒等式，如果一個(gè)矢量的散度為0，則該矢量可由另一矢量的旋度進(jìn)行表示，則令：(2-13)式中，矢量A為時(shí)變電磁場的磁矢位，其表示任意時(shí)刻，矢量A沿任意閉合回路L的線積分等于該時(shí)刻通過以L為邊線的曲面S的磁通量。對(duì)于時(shí)變磁場而言，電場的旋度不為0，不可對(duì)標(biāo)量電位進(jìn)行定義，但在法拉第定律中，可通過式（2-13）進(jìn)行描述，從而得到：(2-14)式中φ為時(shí)變磁場標(biāo)量電位。由式（2-14）可得：(2-15)式（2-15）實(shí)現(xiàn)以位函數(shù)表示時(shí)變電磁場矢量目的。由于矢量磁位A的存在，使得B不產(chǎn)生變化，但E會(huì)受到A的影響，因此，在A進(jìn)行變化時(shí)φ也應(yīng)做相應(yīng)的變化，使得E保持不變，該變化過程稱之為規(guī)范變換：(2-16)進(jìn)一步：(2-17)2.1.5時(shí)變電磁場的邊界條件對(duì)于采用時(shí)變電磁而言，其計(jì)算過程中為了使得各個(gè)求解邊界及求解域中電磁參數(shù)、相關(guān)參數(shù)、計(jì)算參數(shù)在時(shí)空變化過程中保持一致性需要引入邊界條件進(jìn)行限制，時(shí)域電磁場常用邊界條件主要有三種：Snowmanboundarycondition，Dirichletboundarycondition、及組合邊界條件。Dirichletboundarycondition可以表示為：(2-18)式中，Γ代表狄利克萊邊界；g(Γ)代表位置函數(shù)，其既可以是常數(shù)也可以等于零；當(dāng)其為零時(shí)，則該條件被稱作其次狄利克萊邊界條件。偌依曼邊界條件可以表示為：(2-19)式中，Γ為偌依曼邊界，f(Γ)和h(Γ)可以是一般函數(shù)、常數(shù)或等于零。當(dāng)其等于零時(shí)，被稱為其次偌依曼條件。2.2電機(jī)有限元分析理論2.2.1有限元的發(fā)展有限元方法幾乎能夠?qū)θ我鈴?fù)雜的工程進(jìn)行機(jī)械性能分析、信息計(jì)算及結(jié)構(gòu)分析[22-23]。1943年，Courant首次對(duì)有限元思想進(jìn)行闡述，這是有限元思想進(jìn)入人類視野的開端。1950年前后，有限元法被首次應(yīng)用到航天航空系統(tǒng)中。1965年，Winslow采用有限元法分析加速器磁鐵的飽和效應(yīng)，這是限元法在電氣工程領(lǐng)域的首次應(yīng)用。P.Silvester在1970年提出了采用有限元思想對(duì)電機(jī)正常及故障運(yùn)行下的電磁場問題進(jìn)行分析[24]。此后，有限元思想被廣泛應(yīng)用在工程電磁場的計(jì)算分析中。計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷革新和飛速發(fā)展使得有限元法的計(jì)算速度不斷加快，其成為解決電機(jī)問題常用的、比較先進(jìn)的計(jì)算方法，此外，有限元法以其優(yōu)越性被廣泛應(yīng)用在各種電氣工程問題的計(jì)算中。在1980年前后，隨著B樣條有限元法的推出和應(yīng)用，有限元法的求解精度被進(jìn)一步提高。目前，有限元法在瞬態(tài)渦流場、穩(wěn)態(tài)場、非線性瞬態(tài)渦流場的計(jì)算分析中得到廣泛應(yīng)用。2.2.2有限元的基本思想和步驟有限元法時(shí)將復(fù)雜問題簡化處理后在進(jìn)行計(jì)算求解。有限元方法將解決域劃分為有限數(shù)量的子區(qū)域，對(duì)每個(gè)單元給出簡單合理的近似，然后研究全局解域的條件，從而最終解決問題。這是一個(gè)精確度較高的解，而不是準(zhǔn)確解，實(shí)際工程中由于其復(fù)雜性而很難得到準(zhǔn)確解，只要精確度夠高就可以。有限元方法不僅使用方便簡單，而且在一定的要求下其計(jì)算精度較高，并且適合處理不規(guī)則幾何模型數(shù)值求解問題，因此對(duì)于電磁場分析計(jì)算，有限元方法逐漸成為主要分析方法及工具。有限元求解的基本流程為：根據(jù)初始條件建立積分方程對(duì)求解域進(jìn)行單元剖分根據(jù)幾何形狀及求解精確度需求確定單元基函數(shù)確定各單元有限元方程根據(jù)區(qū)域中所有單元有限元方程得到總體有限元方程根據(jù)邊界條件對(duì)總體有限元方程進(jìn)行修正對(duì)修正后的有限元方程進(jìn)行求解，得到各單元節(jié)點(diǎn)的函數(shù)值。至此，完成有限元求解的全過程。2.3ANSYSMaxwell簡介2.3.1ANSYSMaxwell軟件簡介本文使用有限元仿真軟件AnsysMaxwell對(duì)無刷直流電機(jī)進(jìn)行建模仿真，AnsysMaxwell是一款通用于不同領(lǐng)域的有限元仿真軟件，該軟件能夠?qū)こ讨械碾妶?、磁場、聲場、結(jié)構(gòu)、流體問題進(jìn)行分析，并且能夠與其它很多軟件（如Pro/Engineer、ALOGOR、AutoCAD等）進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)信息的傳遞和共享，是現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)中最常用的工具之一[25-26]。AnsysMaxwell軟件主要由三部分組成：（1）前處理模塊，用戶可以根據(jù)工程仿真需求構(gòu)建有限元模型（2）分析計(jì)算模塊，對(duì)所需工程計(jì)算問題進(jìn)行相關(guān)設(shè)定及優(yōu)化計(jì)算。（3）后處理模塊，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行顯示進(jìn)行自定義化設(shè)定。通常，對(duì)于電機(jī)的仿真主要是分析其運(yùn)行時(shí)內(nèi)部的電場、磁場等各個(gè)物理場的情況，以及當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)應(yīng)的內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通密度的變化規(guī)律，進(jìn)而判斷故障可能導(dǎo)致的后果。同時(shí)，還可以模擬電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩、反電動(dòng)勢及磁鏈變化情況及運(yùn)行效率，為后續(xù)對(duì)電機(jī)的性能分析及故障診斷提供理論依據(jù)。2.3.2ANSYSMaxwell軟件的主要特點(diǎn)（1）分析功能十分強(qiáng)大且廣泛：AnsysMaxwell軟件能夠?qū)﹄妶?、磁場、熱等物理場及多場耦合問題進(jìn)行仿真和分析。（2）整體化處理：集前期處理、自動(dòng)網(wǎng)格劃分、求解、后期處理、性能優(yōu)化于一體的大型有限元軟件。（3）具有多種求解器，適合多種類型場的分析和計(jì)算，如瞬態(tài)場、穩(wěn)態(tài)場、渦流場、靜態(tài)場等等。（4）應(yīng)用領(lǐng)域廣泛：AnsysMaxwell軟件的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，如航天航空、機(jī)械、電力等。（5）兼容性強(qiáng)：AnsysMaxwell軟件有可以與其它軟件對(duì)接實(shí)現(xiàn)信息交互和傳遞，支持多場的耦合計(jì)算。2.3.3ANSYSMaxwell基本仿真流程（1）模型創(chuàng)建AnsysMaxwell軟件為用戶提供了功能強(qiáng)大且操作簡易的仿真工具。AnsysMaxwell軟件對(duì)相關(guān)命令菜單的編排十分具有邏輯性，所以在建模時(shí)為了節(jié)省時(shí)間、簡化流程，也要嚴(yán)格按照此順序進(jìn)行建模。因此，整個(gè)模型建立過程的具體操作步驟可以概括如下：1）確定目標(biāo)模型的類型及屬性。2）根據(jù)網(wǎng)格剖分尺寸選擇適合的單元類型。3）定義模型各組成部件的材料屬性。4）建立實(shí)體物理并劃分網(wǎng)格。（2）單元選擇利用AnsysMaxwell軟件可以根據(jù)使用要求及計(jì)算精度要求，建立2-D或3-D模型，無論是二維還是三維方式，其建模型都由點(diǎn)單元、線單元、面單元及體單元組成。下面將分別對(duì)AnsoftMaxwell軟件二維建模及三維建模的特點(diǎn)進(jìn)行簡單介紹：二維建模：該模塊能夠?qū)δＰ瓦M(jìn)行靜電場、時(shí)域/靜電磁場、溫度場及機(jī)械應(yīng)力場進(jìn)行建模分析，另外，Maxwell2D具備外置電路模型，該外電路可以被導(dǎo)出并可以被應(yīng)用在其他模型中（如SIMPLORER模塊、電路分析工具等）。三維建模：該模塊主要用來建立三維仿真模型，三維建模與二維建模的功能基本一致，但較二維建模其更直觀、更精確。當(dāng)實(shí)際工程問題中不可忽略渦流效應(yīng)、位移電流以及集膚效應(yīng)時(shí)，一般采用三維建模。模型經(jīng)運(yùn)行計(jì)算后，可以獲得一系列電磁設(shè)備的電磁場分布特性（如變壓器、螺線管、電機(jī)等），同時(shí)能夠計(jì)算模型的功率損耗、渦流損耗、阻抗、磁鏈、力、轉(zhuǎn)矩、電感、儲(chǔ)能等參數(shù)，除此之外，能夠直觀的顯示整個(gè)模型或者模型中某一部件的磁通密度、磁力線、電流密度、溫度等的分布情況。本課題選擇三維建模方式。（3）網(wǎng)格劃分對(duì)于有限元分析及計(jì)算問題，為了提高計(jì)算結(jié)果的精度以及加快收斂速度，需要針對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)的差異化網(wǎng)格劃分，而網(wǎng)格劃分的最終情況直接影響計(jì)算結(jié)果，AnsoftMaxwell中網(wǎng)格劃分的方式主要包括兩種，分別為自適應(yīng)網(wǎng)格劃分和手動(dòng)網(wǎng)格劃分，自適應(yīng)網(wǎng)格剖分無需進(jìn)行設(shè)置，軟件可以根據(jù)建模情況進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格剖分；手動(dòng)網(wǎng)格劃分需用戶根據(jù)需求對(duì)模型的各部分進(jìn)行網(wǎng)格剖分設(shè)置。（4）加載求解當(dāng)模型的幾何結(jié)構(gòu)建完后，在AnsoftMaxwell求解器對(duì)模型的計(jì)算時(shí)長及步長進(jìn)行設(shè)置。考慮到計(jì)算精度及計(jì)算量的問題，在實(shí)際建模過程中要選擇適合時(shí)長及步長，以便在簡化計(jì)算的同時(shí)能保持計(jì)算精度。值得注意的是，在添加激勵(lì)設(shè)置時(shí)，施加激勵(lì)必須是幾何體的截平面。在進(jìn)行瞬態(tài)場計(jì)算時(shí)，當(dāng)計(jì)算過程中需要考慮渦流效應(yīng)時(shí)，可以執(zhí)行以下操作指令Modeler/seteddyeffect，對(duì)相應(yīng)的導(dǎo)體進(jìn)行渦流計(jì)算。后處理后處理模塊可以查看模型在某一時(shí)間段內(nèi)、某一時(shí)刻的計(jì)算結(jié)果。通過相關(guān)操作指令，可以使計(jì)算結(jié)果通過圖表、曲線、矢量圖及云圖的形式顯示出來，軟件還支持用戶對(duì)當(dāng)前的顯示內(nèi)容進(jìn)行調(diào)控，以便顯示最優(yōu)圖形，并且能夠?qū)С霾⒈４?。?章TPMLM仿真模型建立3.1建立有限元模型3.1.1TPMLM電機(jī)參數(shù)本文針對(duì)TPMLM建立二維電磁仿真模型，其中TPMLM的基本參數(shù)如表3-1所示：表3-1TPMLM基本參數(shù)相數(shù)3極數(shù)8額定電壓300V槽數(shù)12頻率50Hz同步速度2.3m/s電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-1所示。圖3-1電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖3.1.2仿真模型創(chuàng)建（1）仿真項(xiàng)目創(chuàng)建及分析類型設(shè)定為了建立新的仿真項(xiàng)目并確定2D設(shè)計(jì)分析類型，通過選擇項(xiàng)目管理器，并選擇插入麥克斯韋2D設(shè)計(jì)。通過指向Maxwell2D求解方案類型命令，分別選擇磁性的時(shí)域分析、幾何模型設(shè)定過程中，選擇笛卡爾坐標(biāo)系，通過以上設(shè)置確定求解器類型為瞬態(tài)電磁求解器，并使模型坐標(biāo)系統(tǒng)為關(guān)于Z軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，具體如下圖所示。圖3-1BLDCRZ坐標(biāo)系瞬態(tài)分析設(shè)置電機(jī)幾何模型創(chuàng)建確定模型基本設(shè)置由于本文仿真分析所針對(duì)的模型為軸對(duì)稱模型，因此執(zhí)行Model/Unites命令，將模型單位設(shè)置為厘米，為后續(xù)模型幾何參數(shù)設(shè)定進(jìn)行單位統(tǒng)一規(guī)范。具體如下：圖3-2模型單位設(shè)置繪制初級(jí)槽幾何模型在模型單位規(guī)范設(shè)置的基礎(chǔ)上，進(jìn)行直線電機(jī)初級(jí)槽幾何模型繪制，執(zhí)行Draw/Line命令，進(jìn)行直線繪制，選擇絕對(duì)增量方式，直角坐標(biāo)系，依據(jù)電機(jī)初級(jí)槽尺寸繪制線段模型。進(jìn)一步，將上一步操作所繪制的線段進(jìn)行全部選中，，選擇X軸作為所選擇的線段模型的徑向，并通鏡像復(fù)制操作，建立直線電機(jī)定子槽線段模型，執(zhí)行Draw/Line命令，將直線電機(jī)定子槽底直線進(jìn)行連接，選擇所有定子槽直線，執(zhí)行Modeler/Bolean/Unite將定子槽線段構(gòu)成一體，所建立的初級(jí)槽模型如圖3-3所示。圖3-3初級(jí)槽模型執(zhí)行Edit/Duplicate/Alongline命令，將所繪制的初級(jí)槽模型沿直線進(jìn)行復(fù)制，在復(fù)制對(duì)話框中設(shè)置12，形成12槽初級(jí)結(jié)構(gòu)，具體設(shè)置如圖3-4所示。圖3-4初級(jí)槽復(fù)制對(duì)話框創(chuàng)建初級(jí)沖片模型進(jìn)一步，建立初級(jí)沖片兩端及外圓處直線模型，執(zhí)行Draw/Line命令，以相應(yīng)坐標(biāo)繪制線段，并通過直線將初級(jí)齒前端進(jìn)行閉合閉和，通過執(zhí)行ModelerBoolean/Unite命令將模型窗口中所繪制的直線段構(gòu)成一體，初級(jí)沖片模型入圖3-5所示。圖3-5初級(jí)沖片模型繪制初級(jí)繞組幾何模型由于直線電機(jī)模型較為復(fù)雜，在不影響磁場計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行相應(yīng)的簡化處理，通過執(zhí)行Draw/Line命令，以相應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)繪制線段并執(zhí)行modeler/Surface/coverlinrs命令，生成初級(jí)繞組下層面域，將其命名為D_coil。選擇新生成的初級(jí)繞組面域，將其進(jìn)行直線復(fù)制，復(fù)制次數(shù)為12，生成其余的初級(jí)繞組面域。創(chuàng)建次級(jí)模型在初級(jí)模型的基礎(chǔ)上，建立永磁體磁極模型，由于TPMLM次級(jí)模型在CylindricZ坐標(biāo)下為矩形，因此通過執(zhí)行Draw/Line命令，以相應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)繪制直線段，并執(zhí)行modeler/Surface/coverlinrs命令，生成永磁體次級(jí)面域，將生成的次級(jí)面域命名為PM。選擇永磁體，進(jìn)行直線復(fù)制，復(fù)制次數(shù)為8，從而生成初級(jí)鐵芯長度包含內(nèi)的永磁體磁極模型。在此基礎(chǔ)上，分別選擇1#、2#永磁體及7#、8#永磁體，進(jìn)行直線復(fù)制，生成初級(jí)鐵芯長度上方及下方的永磁體磁極模型，以相應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)繪制線段，生成磁極軛面域，命名為secondary，如圖3-6所示為TPMLM模型，由于次級(jí)較長，只給出包含部分次級(jí)的電機(jī)模型。圖3-6TPMLM模型建立直線運(yùn)動(dòng)區(qū)域（band）模型在進(jìn)行band設(shè)置過程中，考慮到直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)于直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中的靜止模型部分無法通過band，因此，為使次級(jí)不脫離初級(jí)，本文所建模型band在磁極運(yùn)動(dòng)方向上對(duì)Z軸進(jìn)行覆蓋，其運(yùn)動(dòng)范圍為140cm。通過執(zhí)行直線繪制命令，以相應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)繪制直線段，并將所繪制直線段形成整體，從而生成band面域。如圖3-7所示為包含band面域的直線電機(jī)模型。圖3-7band模型建立電機(jī)外層面域模型由于所建立的電機(jī)模型為未封閉的連通域，因此，與要建立包含整個(gè)電機(jī)的外層面域，使得求解域連通，以相應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)繪制直線段，并執(zhí)行modeler/Surface/coverlinrs命令，生成永外層面域，命名為Outregion，如圖3-8所示為直線電機(jī)有限元求解域幾何模型。圖3-8TPMLM有限元幾何模型3.1.3材料定義及分配對(duì)于TPMLM瞬態(tài)電磁場分析，需要分別對(duì)各個(gè)構(gòu)件材料屬性進(jìn)行指定，基本參數(shù)如表3-2所示。3-2TPMLM材料參數(shù)構(gòu)件名稱材料外層面域真空（Vacuum）band真空（Vacuum）繞組銅（Copper）定子/動(dòng)子鐵心10號(hào)鋼永磁體NdFe30（徑向充磁）以鐵定子鐵心Stator及永磁體材料參數(shù)設(shè)置為例。鐵定子鐵心Stator材料參數(shù)設(shè)定電機(jī)初級(jí)及定子鐵心Stator材料為鐵磁材料10號(hào)鋼，打開材料管理器，選擇AddMaterials進(jìn)行材料添加，將添加材料命名為10_Steel，并咋相對(duì)磁導(dǎo)率的類型中選擇非線性設(shè)定，將B-H曲線采用手動(dòng)輸入方式進(jìn)行添加，并將10_Steel材料進(jìn)行分配。圖3-910號(hào)鋼B-H曲線永磁體材料參數(shù)設(shè)定選取材料管理器材料NdFe30，將材料分別命名為PM_N和PM_S，磁極方向Xcomponent，分別設(shè)置1和-1.使得永磁體材料徑向充磁，選擇模型永磁磁極，用最下方永磁體一次進(jìn)行分配，完成對(duì)永磁體材料參數(shù)設(shè)定。圖3-10永磁體材料參數(shù)設(shè)定3.1.4激勵(lì)源與邊界條件定義及加載本文針對(duì)TPMLM進(jìn)行電磁場分析時(shí)，研究其空載狀態(tài)下電磁分布情況，在激勵(lì)施加時(shí)，對(duì)三相繞組施加幅值為0的電流激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)空載狀態(tài)分析。繞組分相按照旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)的分相原則對(duì)TPMLM進(jìn)行分相，其對(duì)應(yīng)繞組分相示意圖如圖3-11所示。圖3-11繞組分相圖繞組參數(shù)設(shè)置繞組分相結(jié)束后，各個(gè)繞組之間的相互關(guān)系已經(jīng)確定，因此，需要對(duì)繞組參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)置，通過繞組激勵(lì)分配操作，實(shí)現(xiàn)繞組激勵(lì)的設(shè)置與分配問題。本文選擇單個(gè)線圈繞組匝數(shù)為200，并設(shè)置不同的激勵(lì)方向，其中正向線圈以“P*”表示，負(fù)向線圈以“R*”表示，以A相具體設(shè)置為例，如圖3-12所示。圖3-12A相繞組激勵(lì)設(shè)置對(duì)話框其中B、C相繞組的加載方式與A相繞組加載及命名方式一致。加載激勵(lì)源完成繞組參數(shù)設(shè)置后，進(jìn)一步將各個(gè)槽繞組歸為相繞組，這這一步操作需要進(jìn)行項(xiàng)目管理器添加繞組命令，其具體設(shè)置如圖3-13所示。圖3-13Winding設(shè)置對(duì)話框在此基礎(chǔ)上，選擇A相8個(gè)槽繞組，將其添加入WindingA中，完成A相電壓源加載，B/C相繞組設(shè)置方法與A相相同。如圖3-14所示為A相繞組設(shè)置圖。圖3-14A相繞組設(shè)置圖加載邊界條件對(duì)于直線電機(jī)二維電磁場分析問題，由于針對(duì)2-D實(shí)體進(jìn)行分析，因此為了簡化計(jì)算并提高計(jì)算精度，本文選擇Balloon邊界條件，在該邊界條件下，加載約束為一維，因此需要選擇模型外邊界四條邊進(jìn)行邊界條件施加，通過執(zhí)行編輯命令，選擇外邊界邊，進(jìn)行Balloon邊界條件分配，從而完成邊界條件的加載。3.1.5運(yùn)動(dòng)選項(xiàng)設(shè)置在針對(duì)TPMLM二維模型進(jìn)行瞬態(tài)電磁場分析時(shí)，由于分析對(duì)象為TPMLM正常運(yùn)行狀態(tài)下的電磁場分布變化情況，因此需要對(duì)TPMLM運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行相關(guān)運(yùn)動(dòng)選項(xiàng)設(shè)置，相本文所設(shè)置運(yùn)動(dòng)類型為直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)平行于坐標(biāo)軸Z，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樨?fù)方向，具體設(shè)定如圖3-15所示。圖3-15直線運(yùn)動(dòng)設(shè)置對(duì)于運(yùn)動(dòng)信息設(shè)置，初始位置設(shè)置直線運(yùn)動(dòng)的初始位置角為0cm，雙向位移分別為-40cm、+50cm，該設(shè)置可以保證磁極不脫離初級(jí)，機(jī)械設(shè)置運(yùn)動(dòng)速度為2.3m/s，具體設(shè)置如圖3-16所示。圖3-16運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)及機(jī)械設(shè)置3.1.6求解選項(xiàng)設(shè)置對(duì)于ANSYSMxawell瞬態(tài)仿真而言，可以直接得到力矩與時(shí)間、位置之間的函數(shù)關(guān)系，因此，瞬態(tài)求解過程中可以忽略直線電機(jī)受力設(shè)置。網(wǎng)格剖分設(shè)置對(duì)于有限元仿真分析而言，網(wǎng)格剖分直接影響著計(jì)算結(jié)果，因此，本文對(duì)直線電機(jī)采用差異化網(wǎng)格劃分，通過執(zhí)行Maxwell2D/MeshOperations/Assign/Onselection命令對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，針對(duì)band、定子繞組區(qū)域、定轉(zhuǎn)子鐵心、永磁體及外層區(qū)域分別設(shè)置網(wǎng)格剖分?jǐn)?shù)值為0.2、0.25/0.3/0.2/0.4cm，模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3-17所示。圖3-17直線電機(jī)剖分圖求解設(shè)定本文重點(diǎn)分析直線電機(jī)電磁場分布情況，因此僅針對(duì)電磁場分析進(jìn)行設(shè)置，其余設(shè)置為AnsysMaxwell內(nèi)部默認(rèn)設(shè)置。一般設(shè)置中，設(shè)置求解終止時(shí)間為0.1s，求解400步，在求解設(shè)置時(shí)選擇場信息保存。具體求解設(shè)置如圖3-18所示。圖3-18求解設(shè)置分析自檢在模型建立、網(wǎng)格剖分、求解設(shè)置的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真模型的自檢分析，當(dāng)所有設(shè)置正確后，每項(xiàng)錢出現(xiàn)對(duì)勾提示，如圖3-19所示為自檢及警告提示。圖3-19自檢及警告提示由圖3-19可以看出，自檢檢驗(yàn)結(jié)果中激勵(lì)與邊界條件選項(xiàng)出現(xiàn)了警告，這主要是因?yàn)楸疚腡PMLM二維電磁場模型在參數(shù)設(shè)置過程中，選用了ANSYSMaxwell自帶材料庫參數(shù)，由于求解設(shè)置為瞬態(tài)電磁場分析，因此其材料包含電磁參數(shù)，但本文分析忽略了電磁場中材料的渦流問題，因此出現(xiàn)該警告，但對(duì)TPMLM運(yùn)行過程中的電磁場分布情況無影響。3.2求解及后處理在上述建模設(shè)置與檢查的基礎(chǔ)上，即可獲得TPMLM電磁場仿真結(jié)果，可對(duì)直線電機(jī)運(yùn)行時(shí)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析。3.2.1定位推力波動(dòng)分析對(duì)TPMLM定位推力波動(dòng)進(jìn)行分析，選擇軟件2-D結(jié)果分析，在結(jié)果參數(shù)中選擇力參數(shù)，創(chuàng)建瞬態(tài)結(jié)果矩形圖，得到如圖3-20所示圓筒型直線永磁電動(dòng)機(jī)定位推力曲線。圖3-20TPMLM定位推力曲線不難看出，電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)最大電磁推力為46.13N，且啟動(dòng)時(shí)電磁推力存在較大的波動(dòng)情況，隨著電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的推移，電磁推力波動(dòng)減小。分析其主要原因，TPMLM電磁推力波動(dòng)的產(chǎn)生受電機(jī)齒槽、磁阻力及電機(jī)結(jié)構(gòu)的邊緣效應(yīng)所影響，在啟動(dòng)時(shí)受到動(dòng)子永磁體位置的影響，會(huì)產(chǎn)生較大的電磁推力波動(dòng)。3.2.2繞組反電動(dòng)勢分析對(duì)TPMLM繞組反電動(dòng)勢進(jìn)行分析，選擇軟件2-D結(jié)果分析，在結(jié)果參數(shù)中選擇電動(dòng)勢參數(shù)，類別選擇繞組，創(chuàng)建瞬態(tài)結(jié)果矩形圖，完成繞組反電動(dòng)勢曲線設(shè)置，如圖3-21為圓筒型直線永磁電動(dòng)機(jī)A、B、C三相繞組反電動(dòng)勢曲線。圖3-22TPMLM電機(jī)A、B、C三相相繞組反電動(dòng)勢曲線結(jié)合TPMLM空載反電動(dòng)勢仿真結(jié)果，不難看出，TPMLM空載運(yùn)行時(shí)，繞組反電動(dòng)勢為平頂波，且具有較強(qiáng)的周期性，其反電動(dòng)勢最大值為373.5V，且A、B、C三相繞組反電動(dòng)勢基本一致。3.2.3繞組磁鏈分析對(duì)TPMLM繞組磁鏈進(jìn)行分析，選擇軟件2-D結(jié)果分析，在結(jié)果參數(shù)中選擇擦臉參數(shù)，類別選擇繞組，創(chuàng)建瞬態(tài)結(jié)果矩形圖，完成繞組磁鏈曲線設(shè)置，完成繞組磁鏈曲線設(shè)置，如圖3-23為圓筒型直線永磁電動(dòng)機(jī)A、B、C三相繞組磁鏈曲線，其橫坐標(biāo)為時(shí)間（單位ms），縱坐標(biāo)為磁鏈（單位mH）。圖3-23TPMLM電機(jī)A、B、C三相繞組磁鏈曲線由TPMLM磁鏈仿真結(jié)果可知，磁鏈仿真結(jié)果正弦變化，其磁鏈最大值為0.92mH，受到電機(jī)結(jié)構(gòu)的影響，致使三相磁鏈存在一定的差異，但是差別較小。3.2.4磁力線分析在磁力線分析時(shí)，選擇全部模型構(gòu)件，將場圖顯示設(shè)置顯示名稱，物理量選擇磁力線分布，場設(shè)置對(duì)話框如圖3-24所示，圖3-25所示為電機(jī)磁力線分布圖。圖3-24等勢線分布場設(shè)置(a)t=0s（b）t=0.05s圖3-25TPMLM不同時(shí)刻磁力線分布分布不難看出，不同時(shí)刻電機(jī)磁力線分布情況基本一致，受到初級(jí)鐵磁材料的影響，電機(jī)初級(jí)齒部分磁力線分布較為密集，而初級(jí)端部由于電機(jī)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的端部效應(yīng)，使得磁力線分布散亂，其中不通過運(yùn)行時(shí)刻受到動(dòng)子永磁材料的影響，磁力線數(shù)值存在差異，0.05s磁力線數(shù)值相較于運(yùn)動(dòng)初始時(shí)刻增加2.72倍。3.2.5磁密分布情況分析選擇模型中所有物體，將場圖顯示設(shè)置物理量Quantity中選擇磁通密度Mag_B，選擇所有物體allobjects以圖形顯示電機(jī)磁通密度云圖分布，如圖3-26所示為磁密云圖分布。t=0s（b）t=0.05s圖3-26TPMLM不同時(shí)刻磁密分布如圖3-26所示，為不同時(shí)刻磁密云圖仿真結(jié)果，由圖可以看出，不同運(yùn)行時(shí)刻，磁密分布結(jié)果與磁力線分布結(jié)果基本一致，磁密主要集中于初級(jí)齒部分，且磁密最大值基本無變化，約為2.34T。結(jié)論圓筒型永磁直線電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)無需中間轉(zhuǎn)換裝置即可實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，在解決傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)體積大、效率低、精度低的問題的同時(shí)，具備直線速度不受限制、機(jī)械損耗較小、適用場合較多等優(yōu)點(diǎn)，因此針對(duì)圓筒型直線電機(jī)的電磁分析具有重要意義。本文基于電磁場數(shù)值分析與有限元理論建立圓筒型永磁直線電機(jī)二維等比例模型，通過對(duì)模型的差異化網(wǎng)格劃分和加激勵(lì)求解，對(duì)模型進(jìn)行二維瞬態(tài)場仿真分析，得到電機(jī)在空載運(yùn)行條件下的電磁場分布情況，以及對(duì)應(yīng)的定位推力，時(shí)域磁鏈，瞬態(tài)磁場分布情況。本文利用ANSYSMaxwell對(duì)圓筒型永磁直線電機(jī)進(jìn)行二維瞬態(tài)場仿真計(jì)算，得到如下結(jié)論：（1）有限元軟件AnsoftMaxwell對(duì)圓筒型永磁直線電機(jī)電磁場分布的仿真結(jié)果與理論分析相符，說明所用方法的正確性及建模的有效性。（2）與傳統(tǒng)計(jì)算方法相比，使用AnsoftMaxwell軟件對(duì)發(fā)電機(jī)電磁場進(jìn)行分析，具有使用簡、計(jì)算精度高、精確地三維分析、顯示直觀、立體性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。（3）電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)最大電磁推力為46.13N，且啟動(dòng)時(shí)電磁推力存在較大的波動(dòng)情況，隨著電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的推移，電磁推力波動(dòng)減小。TPMLM空載運(yùn)行時(shí)，繞組反電動(dòng)勢為平頂波，且具有較強(qiáng)的周期性，其反電動(dòng)勢最大值為373.5V，磁鏈正弦變化，最大值為0.92mH，受到電機(jī)結(jié)構(gòu)的影響，致使三相磁鏈存在一定的差異，但是差別較小。不同時(shí)刻電機(jī)磁力線分布情況基本一致，受到初級(jí)鐵磁材料的影響，電機(jī)初級(jí)齒部分磁力線分布較為密集，而初級(jí)端部由于電機(jī)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的端部效應(yīng)，使得磁力線分布散亂磁密分布結(jié)果與磁力線分布結(jié)果基本一致，磁密主要集中于初級(jí)齒部分，且磁密最大值基本無變化，約為2.34T。（4）通過AnsysMaxwell軟件對(duì)圓筒型永磁直線電機(jī)進(jìn)行建模仿真，不僅能分析電機(jī)的運(yùn)行中的瞬態(tài)磁場特性，也能直觀的翻譯電機(jī)運(yùn)行中磁阻力矩、反電勢及繞組磁鏈等的變化情況，以此來判斷電機(jī)的運(yùn)行性能，具有一定的工程使用價(jià)值。參考文獻(xiàn)[1]汪旭東，焦留成，袁世鷹.用有限元法分析和計(jì)算直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電磁場[J].焦作礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004,13(6):4351.[2]葉云岳．直線電機(jī)技術(shù)手冊[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：2~6．[3]蔡長春，徐志鋒，潘晶.直線電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用[[J].微電機(jī)，2003,36(131):47_50.[4]HellingerR，MnichP．LinearMotor-PoweredTransportation:History，PresentStatus，andFutureOutlook[J]．ProceedingsoftheIEEE，2009，97(11)：1892-1900．[5]宋書中，胡業(yè)發(fā)，周祖德．直線電機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用概況[J]．控制工程，2016，13(3)：199-201．[6]王會(huì)永，周