基于有限元方法的高速圆筒型直线感应电机性能研究

摘要

在这篇文章中以圆筒型直线感应电机为对象，运用有限元(FEM)数值计算方法对电机的性能进行研究。
　　 首先对有限元方法的基本原理进行介绍，从场的角度对圆筒直线感应电机进行数学分析，给出假设条件、求解域和边界条件，建立电压源激励下的二维电磁场非线性时步有限元方程。选择基于有限元方法的电磁场仿真软件Ansoft Maxwell作为研究工具，介绍其仿真流程和参数设置方法，根据样机相关参数建立仿真模型，对起动推力和起动电流进行仿真计算并与实验结果对比，表明仿真模型的正确性。
　　 其次对圆筒直线感应电机的气隙磁场进行研究。对电机空载气隙磁场进行了数学描述，并对电机的瞬态特性进行仿真分析，得到电机运行过程中的电磁推力、初级电流和气隙磁密等曲线，研究了气隙长度变化对电机磁场分布和起动性能的影响。
　　 再次对圆筒直线感应电机的边端效应进行研究。由于直线电机铁心的开断造成磁路不连续引起纵向边端效应，使得磁场发生畸变，其性能指标低于普通旋转感应电机。文中对边端效应影响下的电机气隙场强进行数学分析，并对纵向边端效应下的磁场分布进行仿真分析，结果表明边端效应使得次级进入端磁场减弱，离开端磁场增强，得到了电机推力—速度特性关系。
　　 最后对不同次级材料和激励电源对圆筒直线感应电机性能的影响进行分析。研究得出了次级厚度、材料电导率与推力的关系曲线以及电源频率、电压与推力的关系曲线。结果表明次级厚度和材料电导率对推力的影响具有非单调性，电机推力与电源频率、压值在一定的范围内具有较好的线性度，为电机设计时确定最佳次级和电机运行控制系统的开发提供依据。
　　 研究结果表明采用有限元方法对圆筒直线感应电机进行性能研究，能够得到较为准确的结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.2直线电机的发展和应用

1.3国内外研究现状

1.4论文的主要工作

2有限元法数学描述及仿真软件介绍

2.1有限元法的数学描述

2.1.1场域剖分、分片插值与形状函数

2.1.2单元分析与总体合成

2.2圆筒型直线感应电机的有限元方程

2.2.1电机的模型及其有限元方程

2.2.2电压源激励下的非线性时步有限元方程

2.3仿真软件的选择

2.4 Ansoft Maxwell2D仿真流程及参数设置

3圆筒直线感应电机的结构尺寸及仿真验证

3.1圆筒型直线感应电机的结构和工作原理

3.1.1基本结构

3.1.2基本原理

3.2圆筒型直线感应电机的主要尺寸及初级槽形

3.2.1主要尺寸

3.2.2初级槽形及尺寸的确定

3.2.3圆筒型直线感应电机的设计规范及结果

3.3有限元仿真验证

3.4小结

4圆筒型直线感应电机的气隙磁场与性能研究

4.1空载气隙磁场数学模型

4.2空载气隙瞬态磁场的仿真研究

4.3气隙变化对磁场分布及推力性能的影响

4.4小结

5圆筒型直线感应电机的边端效应与性能研究

5.1边端效应的概念及对气隙磁场的影响

5.2纵向动态边端效应的数学模型

5.3磁场分布及推力性能仿真

5.4小结

6圆筒型直线感应电机次级、激励源与性能研究

6.1次级对电机推力性能的影响

6.1.1单一次级材料对推力性能的影响

6.1.2复合材料次级对推力性能的影响

6.2激励电源对电机推力性能的影响

6.2.1频率对电机推力性能的影响

6.2.2电压对电机推力性能的影响

6.3小结

7结论与展望

7.1结论

7.2展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士期间发表的论文