ANSYS在無軸承永磁同步電動機設(shè)計中的應(yīng)用
張濤
(淮陰工學(xué)院，江蘇淮安223001)
摘要：在無軸承永磁同步電動機設(shè)計中，應(yīng)用ANSYS軟件進行輔助設(shè)計、分析。設(shè)計結(jié)果直觀、準(zhǔn)確，能夠節(jié)約永磁材料和縮短設(shè)計周期。
關(guān)鍵詞：無軸承電動機；永磁同步電動機；ANSYS；電磁分析
中圖分類號：TM341 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7018(2008)04-0015-03
0引 言
磁軸承具有無接觸、不需潤滑的優(yōu)點，已在現(xiàn)代高速機械設(shè)備中得以應(yīng)用。但由于磁軸承成本高，本身又占有一定的軸向空間，限制了高速電動機的微型化，也限制了其臨界轉(zhuǎn)速和輸出功率的進一步提高。
利用磁軸承和電機結(jié)構(gòu)的相似性，在電動機定子槽中嵌入兩套繞組，轉(zhuǎn)矩繞組與徑向力繞組，轉(zhuǎn)矩繞組產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，徑向力繞組產(chǎn)生徑向力。兩套繞組的磁場通過氣隙相互作用產(chǎn)生徑向力，該力作用于電機轉(zhuǎn)子上實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸浮控制，從而形成了無軸承電機。無軸承永磁同步電動機與無軸承異步電動機和無軸承同步磁阻電動機相比具有一些優(yōu)點[1,2]：①永磁體的存在，代替了定子勵磁繞組作為勵磁源，就不再需要激磁電流(id=O)；②相對于無軸承異步電動機的補償相角滯后的復(fù)雜控制回路來說，無軸承永磁電動機的控制回路相對簡單；③功率因數(shù)和效率較高。而實際上，目前也只有無軸承永磁同步電動機得到了實際應(yīng)用，其他類型的無軸承電動機尚處于實驗室研究階段。
無軸承永磁同步電動機的內(nèi)部磁場由永磁體磁場、轉(zhuǎn)矩繞組通電產(chǎn)生的磁場和徑向力繞組通電產(chǎn)生的磁場三者相互疊加而成的。內(nèi)部磁場關(guān)系非常復(fù)雜。由于氣隙磁飽和的影響，同時徑向力與徑向力繞組電流呈非線性關(guān)系，所以清楚地掌握內(nèi)部磁場關(guān)系是進行電機設(shè)計和調(diào)試運行的關(guān)鍵。
AISISYS是通用的有限元分析軟件，在ANSYS中建立電動機分析模型，進行求解，通過后處理可以直觀地看出無軸承電動機懸浮原理、內(nèi)部磁力線分布、磁密分布和計算其徑向力、轉(zhuǎn)矩，并且精度較高。同時固定氣隙存在一個****的永磁體厚度，所產(chǎn)生的徑向力****。
本文采用ANSYS 7．0軟件對無軸承永磁同步電動機進行二維電磁場靜態(tài)分析，簡要介紹了分析步驟，闡述了電動機懸浮原理，計算了本文設(shè)計的無軸承永磁同步電動機產(chǎn)生的徑向力和轉(zhuǎn)矩。
1前處理階段
前處理階段主要包括建立有限元分析幾何模型、定義材料屬性和單元類型、劃分網(wǎng)格，形成有限元分析模型。
l.1建立幾何模型
進入Main menu>Preference5，選擇與電磁分析相關(guān)的選項來過濾可視化圖形用戶界面，只顯示與電磁分析有關(guān)的內(nèi)容。本文采用簡單、方便的用戶圖形界面方式來進行分析，根據(jù)電機的實際尺寸，建立二維模型如圖1所示。
1．2定義材料屬性和設(shè)置單元類型
(1)定、轉(zhuǎn)子鐵磁材料定義其B-H曲線。
(2)繞組和氣隙區(qū)域定義其相對磁導(dǎo)率為1。
(3)采用小塊永磁體拼裝成4個磁極，定義每塊小磁體的相對磁導(dǎo)率為1和每個小塊永磁體的矯頑力。 所有區(qū)域采用PLANE53單元。根據(jù)區(qū)域的不同，將定義的材料和單元類型分配給對應(yīng)的區(qū)域。
1．3網(wǎng)格剖分
采用三角形網(wǎng)格，利用MESHTOOL中的智能網(wǎng)格剖分工具進行剖分，精度為6，剖分結(jié)果如圖2所示，形成有限元分析模型，進人加載、求解階段。  2加載、求解階段
在本文分析中，給繞組區(qū)域施加載荷為電流密度  ，Ⅳ為每槽繞組匝數(shù)；，為每匝繞組中的電流；s為繞組區(qū)域面積。邊界取外邊界條件，也就是讓磁力線平行與電機外圓周。 點擊solution>ElecnmaEnet>Static Analysis，進行自動求解，接著進入后處理分析階段。
3后處理及分析[2-7]
3．1無軸承永磁同步電動機懸浮原理驗證
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