直流电机空载磁场数值计算

大学毕业设计（论文）题目：直流电机空载磁场数值计算学生姓名：学号：学部（系）：机械与电气工程学部专业年级：电气工程及其自动化4班指导教师：职称或学位：教授年05月18日目录摘要 (II)关键词 (II)ABSTRACT (III)KEY WORDS (III)1 绪论 (1)1.1课题研究背景与意义 (1)1.2 ANSYS软件简介 (1)1.3有限元数值计算原理与方法 (1)2 直流电机空载磁场理论分析 (4)2.1 磁通 (4)2.2主磁场分布 (4)2.3磁化曲线 (5)3 ANSYS软件的应用 (6)3.1问题描述 (6)3.2创建理环境 (6)3.3创建模型、划分网格、对模型的每个区域赋予特性 (7)3.3加载边界条件和载荷 (10)3.4求解 (11)3.5观察结果 (12)4 总结 (14)致谢 (15)参考文献 (16)摘要电机中的电磁场问题是复杂的，电机电磁场在不同媒质中的分布、变化情况，决定了电机的运行状态与性能因此，研究电机中的电磁场对分析和设计电机具有重要意义。

在电机学和电磁场的理论基础上，并了解有限元数值计算的原理和方法，利用现有的电磁场数值计算平台Ansys软件，建立直流电机磁场计算的模型，并进行计算，获得合理的磁场计算结果，图形显示磁力线和磁场分布等计算结果，为电机的工程设计计算积累经验，同时为电机学的教学提供直观的磁场分布图形。

直流电机具有良好的启动性能和宽广平滑的调速性能，在许多传动性能要求高的场合占据一定地位，研究很具有意义。

关键词：直流电机；空载磁场； ansys ；有限元法AbstractThe motor is a complex problem, electromagnetic field in different medium motors, decide the distribution and variation of the motor running state and performance. Therefore, the study of electromagnetic motors for the analysis and design of motor is of great significance. In motor learning and electromagnetic field theory based on the finite element numerical calculation, and the principle and method of use of existing numerical calculation, establish the platform of Ansys software of dc motor magnetic field calculation model and calculation, reasonable calculation results, the magnetic field and magnetic field distribution graphics display, such as motor calculation results of engineering experience for motor, meanwhile teaching of the magnetic field distribution provided intuitionistic graphics. Motor for a four extremely dc motor, analyses its non-load magnetic field.Key words: dc motor, No-load magnetic field, Ansys, Finite element Analysis1 绪论1.1 课题研究背景与意义电机是当现代社会所有行业和部门中广泛使用的设备，在自然界的各种能源中，电能具有大规模集中生产、远距离经济传输、自动化控制的突出特点，他不但成为人类生产和生活的主要能源，而且对近代人类文明的产生和发展起到了重要的推动作用。

与此相呼应，作为电能生产、传输、使用和电能特性变化的核心设备，电机在现代社会所有行业和部门中也占据着越来越重要的地位。

电机的发展呈现出勃勃生机，其前景不可限量。

电机是依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种装置。

电磁场在电机中占据重要的地位，电磁场的产生、分布对电机的性能有决定性的影响，通过计算电机磁场的数值，模拟磁场的分布，有助于优化电机的性能，提高电机的效率，有重大意义。

磁场是看不见摸不着的，在教学方面，提供直观的磁场，有助于直观形象的了解磁场，更深刻的理解磁场特性。

1.2 ANSYS软件简介ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。

由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。

它能与多数CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。

软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。

前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

1.3 有限元数值计算原理与方法有限元是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。

还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。

有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。

它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。

这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。

由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。

有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。

有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。

经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。

对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。

有限元求解问题的基本步骤通常为：第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。

第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。

显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。

第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。

第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。

为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。

对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。

例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。

第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。

总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。

第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。

联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。

求解结果是单元结点处状态变量的近似值。

对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。

简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。

前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。

2 直流电机空载磁场理论分析磁场是由电流产生的，直流电机的空载磁场，即电枢电流a I =0时，仅由励磁电流f I 建立的励磁磁场，也叫主磁场。

如图1 所示。

图 1 一台四极直流电机中的空载磁场分布2.1 磁通空载时电机的磁场分布是对称的，磁通可分为两部分。

其中绝大部分从主磁极铁心经气隙、电枢，再经过相邻主极下的气隙和主极贴心，最后经定子磁轭闭合，同时交链励磁和电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势，实现机电能量转换，称为主磁通0Φ；另一小部分不穿过气隙进入电枢，而是经过主极间的空气或定子磁轭闭合，不参与机电能量转换，称为漏磁通σΦ。

总磁通为m Φm Φ=0Φ+σΦ=0Φ（1+σΦ/0Φ）＝0Φσk 2-1式中，σk =1+0/ΦΦσ称为主极漏磁系数，其大小与磁路的结构有关。

2.2 主磁场分布设电枢表面光滑无齿，气隙磁动势为σf ，x 处气隙长度和气隙密度分别为σ（x ）和0B （x ），则有0B (x)=σμ'F /σ(x) 2-2即0B (x)与δ（x ）成反比。

由于主极下的气隙是不均匀的，且极靴宽度小于极距故气隙子一个极下的分布规律如图2所示图2 无齿电枢表面的气隙密度分布2.3 磁化曲线直流电机的磁化曲线是指电机的主磁通与励磁磁动势的关系曲线0Φ=f （0F ）。

随着0Φ的增大，磁通密度不断增加，然后逐渐饱和。

如图3所示图3 电机的磁化曲线3 ANSYS 软件的应用3.1 问题描述已知一直流发电机组设计数据如下：额定容量 N P =37KW 额定电压 N U =130V额定电流 N I =285A 额定转速 N n =1500r/min主极对数 2p=4 电枢外径 a D =294mm电枢内径 ia D =80mm 径向通风道数 f n =1电枢铁心总长ta l =130mm 通风道宽 f b =10mm电枢槽数 Z=35 槽宽 s b =9.6mm槽深（齿高） s h =z h =34.5mm 主极下气隙 δ=2.5mm主极铁心长 m l =130mm 主极铁心宽 m b =100mm主极铁心高 m h =115mm 主极极弧长 p b =145mm机座外径 j D =587mm 机座内径 ij D =529mm机座长度 j l =350mm 励磁绕组 f N =500匝电枢铁心采用厚0.5mm 的DR510-50硅钢片叠成，主极铁心选用1mm 的钢板，基座为铸钢。