基于ANSYS的無軸承永磁薄片電動機特性分析

  徐亞超，朱烷秋

(江蘇大學，江蘇鎮江212013)

摘要：介紹了無軸承薄片電動機的基本結構和工作原理，用轉子氣隙磁場積分的方法推導出電機懸浮力和電磁轉矩數學模型。利用ANSYS有限元分析軟件，分析了電機轉子圓周面上徑向懸浮力的分布，驗證了徑向懸浮力產生機理和數學模型準確性，分析了徑向懸浮力和轉矩的特性，為電機控制系統的構建提供了理論依據。

    關鍵詞：無軸承薄片電動機；ANSYS；徑向懸浮力；轉矩

    中圖分類號：TM351    文獻標識碼：A    文章編號：1004—7018(2010)04—0004—04

0引言

    近年來，無軸承技術的迅猛發展引起了學術界和工業界的廣泛關注。無軸承永磁電動機具有無摩擦、無磨損、無污染、不需潤滑和密封、高精度、壽命長等優點，并且無軸承永磁電動機比采用磁軸承支撐的電機結構緊湊，為研究特種新型電氣傳動系統提供了設計空間。無軸承永磁電動機與其它類型無軸承電動機相比，具有以下優點：①由于轉子永磁體的存在，代替了電機勵磁繞組作為勵磁源，電能消耗較少；②相對于異步電動機為補償相角滯后的雜控制回路，永磁電動機的控制回路簡單；③永磁電動機的效率和功率因數比異步電動機和同步磁阻電動機要高。無軸承永磁薄片電動機是一種特殊的永磁電機，其主要特點是指電機轉子的軸向長度大大于轉子的半徑，使轉子成薄片狀，從而薄片轉子可憑借磁拉力實現三個自由度的被動控制，剩下的徑向兩自由度由一套懸浮繞組進行控制，使得電機控制更加簡單。元軸承永磁薄片電動機真正結合了無軸季永磁電動機和薄片電動機本身結構的優點，具有較好的高速、低速性能、回轉精度及負載能力。由于其獨特的優點，在一些需要免維修、長壽命運行，無菌、無污染以及有毒有害液體或氣體的傳輸，特別在生命科學等領域得到了典型的應用^[1-4]。

本文闡述了無軸承永磁薄片電動機的結構和工作原理，推導了徑向懸浮力數學模型，并采用AN—SYS有限元分析和計算軟件，利用該電機的2D截面分別對電機磁場、徑向懸浮力分布和轉矩進行了分析，為設計出具有實用價值的無軸承薄片電動機奠定基礎。

1無軸承永磁薄片電動機結構和工作原理

1 1結構

    無軸承永磁薄片電動機基本結構如圖1所示．由轉子、鐵心柱、徑向懸浮力繞組和轉矩繞組組成。

這種電機的磁路通過永磁轉子、鐵心柱和電機底部的定子磁軛形成回路。控制無軸承電機軸承繞組和轉矩繞組中的電流能實現薄片轉子徑向位置和旋轉的主動控制。

1．2工作原理

    在無軸承永磁薄片電機定子中放入極對數分別為p_B和p_M的懸浮繞組和轉矩繞組，當懸浮繞組通人電流后，所產生的磁場打破了電機原有旋轉磁場的均衡，使得電機氣隙中某一區域磁場增強，而其對稱區域磁場減弱，產生指向磁場增強方向的磁張應力。當電角頻率相同，兩個繞組產生磁場的旋轉方向一致，且當p_B=p_M±1時，電機中就可以產生可控的單一方向的徑向懸浮力。如圖2所示，圖中(p_M=1，p_e=2)一對極磁場為電機中的原有磁場，兩對極磁場為懸浮磁場。

增強，產生向右z軸方向上的徑向力；圖2b中，上部磁場增強，下部磁場減弱，產生向上y軸方向上的徑向力。

    圖3a、3b分別為轉子在軸向和扭轉方向上所受的被動懸浮力和回復力矩。當轉子發生軸向偏移時，磁拉力總會將轉子向磁阻最小的方向拉，從而穩定了轉子的軸向位置；當轉子發生扭轉時，同理也會產生反向的磁拉力矩，迫使轉子回到平衡位置^[5]。

2無軸承永磁薄片電機數學模型

2．1轉子無偏心時的徑向懸浮力模型

    為便于對電機徑向懸浮力的分析，電機需滿足以下條件：

    (1)p_B=p_M±1；

    (2)兩套繞組產生磁場旋轉方向一致；

    (3)兩套繞組的電流角頻率ω₁=ω₂。

    電機中的徑向力主要由麥克