有限元开题报告

1文献综述

1.1电机简述[1]

电机是一种机电能量转换或信号转换的电磁机械装置。不能量转换的功能来看，电机为发电机和电动机两大类。电动机作为动力设备，已广泛应用于机械行业的工作。根据应用场合的要求和电源的不同，电动机有直流电动机、交流同步电动机、交流感应电动机、交流感应电动机，以及满足不同需求的特种电动机。其中，感应电机一般都用作电动机。感应电机是定、转子之间依靠电磁感应作用，在转子内感应电流以实现机电能量转换的感应电机。三相感应电动机在工业中应用极广，单相感应电动机则多用于家用电器。感应电机的结构简单、制造方便、价格便宜、运行可靠。其主要缺点是，功率因数恒为滞后，轻载时功率因数很低，另外，在调速性能方面比直流电机稍差。

1.2同步电动机的应用前景[6]

众所周知, 直流电动机有优良的控制性能, 其机械特性和调速特性均为平行的直线, 这是各类交流电动机所没有的特性。此外, 直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在.% 年代前的很长一段时间里, 在有调速、控制要求的场合, 几乎成了唯一的选择。但是, 直流电动机的结构复杂, 其定子上有激磁绕组产生主磁场, 对功率较大的直流电动机常常还装有换向极以改善电机的换向性能。早期人们采用直流电动机调速系统, 其缺点是不言而喻的。

随着变频技术发展日趋成熟, 异步电动机的变频调速驱动迅速取代了直流调速系统。而在这几年中,最新驱动技术就是永磁同步电动机调速系统, 其体积小、节能、控制性能好, 又容易用作低速直接驱动, 消除齿轮减速装置= 其低噪声、平层精度和舒适性都优于以前的驱动系统。永磁同步电动机驱动系统很快得到各大公司的青睐, 与其配套的专用变频器系列产品已有多种牌号上市。可以预见,在调速驱动的场合, 将会是永磁同步电动机的天下。

1.3感应电机的基本电磁关系

1.3.1主、漏磁通的分布

主磁通[7]：

主磁通的路径：同时交链定、转子绕组。

主磁通的作用：转换能量的媒介。

定子漏磁通：

定子漏磁通包括槽部漏磁通、端部漏磁通、高次谐波磁通。漏磁通路径：槽部漏磁通和端部漏磁通仅环链转子绕组。漏磁通的作用：在定子绕组产生电抗压降。

1.3.2等效电路：

1.4电机磁场分机研究的方法[2]

研究电机磁场对分析和设计电机各项性能具有非常重要的意义．在传统的电机设计中，磁场的计算主要采用磁路法，计算公式中的一些修正系数不可避免地依赖计算者的个人经验．有些局部效应如磁路的饱和效应，很难准确考虑．近年来，有限元方法计算电机内部的电磁场已变得非常实际．这种数值计算技术无需引人经验系数，根据给定的输入电流或输人电压，即可计算电机内部磁场分布，为电机分析及设计提供了可靠依据。

1.5 有限元法

1.5.1有限元的发展

最早可上溯到20世纪40年代。Courant第一次应用定义在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理来求解St.Venant扭转问题。现代有限单元法的第一个成功的尝试是在1956年，Turner、Clough等人在分析飞机结构时，将钢架位移法推广应用于弹性力学平面问题，给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确答案。1960年，Clough进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了"有限单元法"，使人们认识到它的功效。我国著名力学家，教育家徐芝纶院士（河海大学教授）首次将有限元法引入我国，对它的应用起了很大的推动作用。

1.5.2有限元原理

将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。

从有限元的基本方法派生出来的方法很多，则称为三维单元。如有限条法、边界元法、杂交元法、非协调元法和拟协调元法等，用以解决特殊的问题。

1.5.3有限元研究磁场气隙磁密[3]

在电磁场的数学模型基础上，建立电磁场有限元的离散方程，对研究的旋转电机建立了磁场模型及边界条件，利用有限元的数值解法，对电机磁场模型用任

意三边形等参单元剖分，分析了电机的矢量磁势，并且通过后处理，得到了磁通密度、磁场强度等场量的分布．因此，利用有限元数值计算方法及ANSYS等软件工具对旋转电机内磁场进行分析计算，进而对辅助设计电机的各项性能参数具有较强的现实意义和广阔的应用前景。

调节磁路中气隙的大小可以来改变磁阻,低速时气隙小,高速时气隙大,进而达到调节输出电压的目的。如若在磁路中增加一个气隙槽,并且气隙槽的大小能随转速自动调节。利用有限元方法,对可变气隙永磁发电机进行了仿真设计计算,发电机转速在1000～8000r/min范围内,对输出电压进行了仿真计算,并分析气隙对输出电压的影响。通过转速、气隙与输出电压三者之间的关系来研究。[4]

1.6 Y132S-4电机：

中心高就都是132，轴径是38，4极，是 5.5KW，电流是12A，转速是

1440r/min;通过合理划分所设计电机的磁路区域, 从气隙磁场的角度出发, 即在已知气隙磁场的条件下, 根据所选区域磁阻的大小和磁通密度, 推知总的磁动势大小,最后计算出励磁电流的数值。[5]

1.7总结：

三相感应电动机以其具有结构简单、成本低、运行维护方便和机械特性能满足大多数机械的要求等特点，在工业控制与各种电气传动系统中有着广泛的应用。所以对其保护和控制的研究很有必要。自三相感应电动机发明以来，经历了100多年的历程。在这漫长的岁月中，它为建立和发展交流传动技术树立了丰碑。随着经济的不断发展，越来越多的感应电动机被投入到电网中，承担着不同的任务，致使三相感应电动机的起动、保护、节能问题一直是被关注的热点。根据统计，三相感应电动机每年的耗电量约为全球总发电量的50%，在我国电动机的用电量占发电量的60%-70%而电动机中的90%是感应电动机，因此对感应电动机拖动的控制、保护及节能研究是达到节约能源、简化控制、优化三相电机自问世以来，就受到普遍关注与重视，经过二十几年的研究与发展，三相异步起动永磁同步电动机的设计技术逐渐成熟。

参考文献