直线电机二维静态磁场分析

5.1直线电机二维静态磁场分析
为了简化分析过程，假设本文分析模型边界上没有漏磁（即磁通量与边界平行）。

原有直线电机的外铁芯是分成两块，现在合并成一块可以减小漏磁通，改善了直线电机的性能。

原有装配图中直线电机的磁回路比较复杂，为分析方便将其简化为二维轴对称模型。

二维静态磁场的有限元分析有以下几个步骤：
1.创建物理环境
2.建立模型，对模型的不同区域赋材料特性，划分网格
3.施加边界条件和载荷
4.求解
5.后处理（查看计算结果）
5.1.1创建物理环
境
从主菜单中选择Main Menu：Preference命令，将打开Preference of GUI Filtering （菜单过滤参数选择）对话框，选中Magnetic-Nodal复选框，单击OK按钮确定。

图5-1 菜单过滤参数选择Fig. 5-1 Preference of GUI Filtering
定义单元类型和选项：根据论文分析模型的结构选择Vect Quad 4node13单元表示所有区域，包括铁芯、线圈、线圈骨架及空气（如图5-2）。

相应操作为：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/delete>Add 。

文中把磁路模型简化成二维轴对称来分析，所以在单元类型选项中选择轴对称，如图5-3所示：
5.1.2 磁路模型的建立及网格划分
定义材料特性：直线电机内部结构比较复杂，由多种材料构成，如内铁芯、外铁芯、线圈、线圈骨架、空气等。

在有限元求解过程中为了考虑实际材料特性的影响，需要对直线电机内部不同面域设置并分配相应的材料属性（如图5-4）:
1.线圈骨架（YL12）：相对磁导率MURX=l.0；
2.线圈（铜漆包线）:相对磁导率MURX=l.0；
3.空气：相对磁导率MURX=l.0；
4.内铁芯和外铁芯（工业纯铁DT4）：B-H 磁化特性曲线（如图5-5，5-6所示）。

图5-2 定义单元类型 Fig. 5-2
Define element type
图5-3 单元类型选项 Fig. 5-3
The options of element type
图5-4 定义材料特性
Fig. 5-4
Defining materials performances
图5-5 纯铁（DT4）磁化曲线 Fig. 5-5 Magnetization curve of pure iron
建模：由于将直线电机磁路简化为二维轴对称模型（对称轴为模型左边线），再结合磁路结构尺寸，利用ANSYS 中的Modeling 功能建立磁路的二维模型。

磁路模型包括线圈骨架、线圈、铁芯、空气，如图5-7所示：
将上面定义的各种材料属性分别赋予相应的几何面域，然后通过Glue 命令将具有不同材料属性的各面域融合到一起，使各结构边界融合、粘结为一体，使第二类边界条件得到满足。

图5-6 工业纯铁（DT4）BH 值的输入 Fig. 5-6
The BH values input of pure iron
图5-7 直线电机磁路模型
Fig. 5-7
The magnetic loop model of linear motor
图5-8 划分网格后的模型 Fig. 5-8 The model after meshing
有限单元网格化分：采用智能网格划分，精度为5，并按材料属性显示面。

如图5-8所示。

5.1.3 定义边界条件
设置电机参数，如图5-9所示。

对于二维静态磁场分析来讲，边界条件和载荷可以施加在实体模型上或者有限元模型上。

在有限元分析过程中，ANSYS 可以自动把施加在实体模型上的边界和载荷转移到有限元模型上。

边界条件:在铁芯和骨架支撑边缘上加边界条件Az=O(如图5-10所示外边缘定义为零磁势边界条件), 满足第一类边界条件即齐次边界条件；
施加载荷:对绕组区域（材料编号为2）施加电流载荷，根
据计算公式jdens =acoil I
n 在电
流密度值后面输入5.125e5,如下图5-11所示。

图5-9 参数输入窗口
Fig. 5-9
The parameters input window
图5-10 设置边界条件 Fig. 5-10
Setting boundary condition
图5-11 施加电流密度对话框
Fig. 5-11 The window of setting current density
5.1.4 求解及后处理
求解：从主菜单中选择Main Menu>Solution>Solve>Electromagnet>Static Analysis>Opt&Solv ，接受默认设置，单击OK 确定。

直到出现“Solution is done!”提示，表示结束。

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5.3.5 分析
由直线电机的工作原理可以知道，模型中线圈处的磁力线、磁通量、场强、受力
图5-12 磁力线分布
Fig.5-12
Magnetic force line distribution
图5-13 磁通量密度分布 5-13
Magnetic flux density distribution
图5-14 磁场强度分布
Fig. 5-14
Magnetic intensity distribution
图5-15 电磁力分布
Fig.5-15
Magnetic force distribution
分布越均匀，直线电机的工作性能越好。

在以上四幅图中，线圈中上部的磁力线和磁通量分布较为均匀，下部由于铁芯局部漏磁，而导致不均匀；而场强和电磁力则是在空气和线圈骨架连接处分布较大，其他地方分布较小。

这是由于直线电机受到材料导磁性能不同、铁芯边缘存在漏磁现象等因素的影响，从而造成的。

由分析可得，可以通过减小线圈部分的距离、选用优质的材料等措施缓解。

但在实际选用的时候，还应综合考虑材料的重量、线圈通电受热、以及线圈骨架受热膨胀等方面的问题。