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基于ANSYS的混合式步进电机静态磁场及转矩特性研究

作　者: 王欢
导　师: 李兴根
学　校: 浙江大学
专　业: 电机与电器
关键词: ANSYS 有限元法转矩特性增强型混合式步进电机
分类号: TM383.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

以往由于计算机性能的局限性,传统的混合式步进电机的电磁场理论分析多以二维平面分析为主,如齿层比磁导法等。但混合式步进电机为一典型三维高度饱和的非线性电磁场,磁场空间分布比较复杂,尤其转子上永磁材料轴向充磁导致磁场在轴向分布很不均匀。随着计算机运算性能的提高和通用有限元软件技术的发展,直接对电机磁场进行三维有限元仿真分析是实际可行的,因此,本文直接对混合式步进电机进行三维整体建模分析其静态磁场并计算其转矩特性。首先,本文基于基本的电磁场理论,利用通用的有限元分析软件ANSYS分别建立两相及五相混合式步进电机静态磁系统的三维仿真模型,计算得出其静态磁场分布情况。在此基础上进一步分析计算对电机工作性能影响深远的电机转矩特性。接着,基于传统的齿层比磁导法编写了电机的矩角特性计算程序,对上述两相及五相混合式步进电机的矩角特性进行计算,并与ANSYS计算结果和实验实测值进行比较,研究发现ANSYS计算方法的计算精度明显提高。利用ANSYS软件,本文还建模分析了一种新型的定子槽中加装永磁材料的增强型两相混合式步进电机,计算其矩角特性,并与同尺寸的普通型两相混合式步进电机进行比较,发现其静态转矩较之普通型电机大幅增加的特点,并进一步分析其提高转矩产生能力的内部机理。在此基础上以提高最大静转矩幅值并改善矩角特性曲线波形为目标展开此种增强型混合式步进电机齿层结构、定转子气隙和定子槽中永磁材料性能的优化设计。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-21
  1.1 引言  10
  1.2 混合式步进电机基本结构和工作原理  10-14
    1.2.1 两相混合式步进电机  10-12
    1.2.2 五相混合式步进电机  12-14
  1.3 混合式步进电机电磁场理论研究分析  14-19
    1.3.1 理论研究分析概况  14-15
    1.3.2 电磁场基本理论  15-16
    1.3.3 有限元分析  16-17
    1.3.4 通用有限元分析软件ANSYS简介  17-19
  1.4 本课题研究意义  19
  1.5 本课题主要研究内容  19-21
第2章基于ANSYS的两相混合式步进电机转矩特性分析  21-34
  2.1 两相混合式步进电机三维建模及磁场求解  21-26
    2.1.1 电机建模与网格剖分  21-23
    2.1.2 磁场分布与磁能数据计算  23-26
  2.2 三次样条插值方法  26-28
    2.2.1 插值原理  26-27
    2.2.2 磁共能曲线拟合  27-28
  2.3 转矩特性计算  28-32
    2.3.1 矩角特性的非线性计算  28-31
    2.3.2 最大静转矩变化规律  31-32
  2.4 磁链计算  32-33
  2.5 本章小结  33-34
第3章基于ANSYS的五相混合式步进电机转矩特性分析  34-43
  3.1 五相混合式步进电机三维建模及磁场求解  34-39
    3.1.1 电机建模与网格剖分  34-35
    3.1.2 电机磁场分布  35-38
    3.1.3 磁共能计算和曲线拟合  38-39
  3.2 转矩特性计算与分析  39-41
    3.2.1 矩角特性计算  39-41
    3.2.2 最大静转矩变化规律  41
  3.3 本章小结  41-43
第4章基于齿层比磁导法和ANSYS分析的电机结果分析比较  43-51
  4.1 齿层磁场建模求解  43-45
    4.1.1 齿层磁场的标量位模型  43-44
    4.1.2 有限元计算与分析  44
    4.1.3 齿层磁参数求解  44-45
  4.2 齿层比磁导法求解电机静态静态特性参数  45-48
    4.2.1 混合式步进电机的非线性等值磁网络模型  45-46
    4.2.2 矩角特性计算程序  46-48
  4.3 静转矩结果比较  48-49
  4.4 本章小结  49-51
第5章增强型混合式步进电机的静态转矩分析及结构优化  51-70
  5.1 增强型混合式步进电机的基本结构和工作原理  51-54
    5.1.1 电机基本结构  51-52
    5.1.2 电机工作原理  52-54
  5.2 增强型两相混合式步进电机三维建模及磁场求解  54-56
    5.2.1 电机建模与网格剖分  54-55
    5.2.2 电机磁场分布示意图  55-56
    5.2.3 磁共能计算与曲线拟合  56
  5.3 矩角特性计算与分析  56-58
    5.3.1 静转矩计算  56-57
    5.3.2 静转矩幅值比较  57-58
  5.4 增强型混合式步进电机结构优化设计  58-67
    5.4.1 齿宽齿距比和齿高齿距比结构优化  59-60
    5.4.2 气隙对最大静转矩幅值的影响  60-61
    5.4.3 气隙对矩角特性波形的影响  61-66
    5.4.4 定子槽中永磁体性能对最大静转矩幅值的影响  66-67
  5.5 样机试制  67-68
  5.6 本章小结  68-70
第6章结论  70-72
  6.1 全文工作的总结  70
  6.2 进一步研究工作的展望  70-72
参考文献  72-75
硕士期间发表的论文  75-76
致谢  76

基于ANSYS的混合式步进电机静态磁场及转矩特性研究

内容摘要

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