軸向磁化永磁微電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場分析
楊杰偉，蘇宇鋒，劉武發(fā)，吳一輝
(1鄭州大學(xué)，河南鄭州4500Ol；2中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春130033)
摘要：為研究尺寸效應(yīng)對軸向磁化永磁電機(jī)性能的影響，采用有限元方法對雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的磁場進(jìn)行了仿真計(jì)算，得出了軸同磁化永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的氣隙磁密波形分布。分析了轉(zhuǎn)子外形尺寸、充磁極數(shù)、磁體厚度和氣隙長度對氣隙磁密的影響，即隨著氣隙長度的增加，充磁極數(shù)多的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的氣隙磁密幅值的減小幅度大于充磁極數(shù)少的；隨著磁體厚度的增加，氣隙磁密為一上升曲線，當(dāng)磁體厚度達(dá)到某一點(diǎn)時(shí)，氣隙磁密幅值基本為一常數(shù)；減小轉(zhuǎn)子直徑時(shí)，隨著磁體厚度的降低，平均半徑處氣隙磁密幅值的減小幅度越來越不明顯，但為不使氣隙磁密波形變形嚴(yán)重，水磁轉(zhuǎn)子徑向長度需至少大于1. 5 mm。分析結(jié)果可對該類電機(jī)微小型化過程中的設(shè)計(jì)起指導(dǎo)作用。
0引 言
近年來，電子機(jī)械系統(tǒng)微小型化的發(fā)展日新月異，微電機(jī)作為微機(jī)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在電子機(jī)械系統(tǒng)中起主要作用。微電機(jī)微小型化將引起一系列性能的相應(yīng)變化，即隨著尺寸的減小，一方面，定子線圈微小型化，使線圈制作困難且安匝數(shù)下降；另一方面，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、功率和效率降低。制作永磁轉(zhuǎn)子的常規(guī)方法是，將較大的燒結(jié)磁塊切割成小磁體，對小磁體逐個(gè)進(jìn)行磁化，然后安裝定位于轉(zhuǎn)子鐵軛。在微電機(jī)微小型化過程中采用這種方法制作永磁轉(zhuǎn)子就很困難了，因?yàn)槲㈦姍C(jī)的微小型化必然促使永磁體向微小型化方向發(fā)展，這樣不但使永磁體充磁困難，而且由于磁體是在組裝之前被磁化的，對磁體的安裝定位也很不方便。為克服傳統(tǒng)方法的弊端，采用一體化多極磁化方法，即對整塊磁體進(jìn)行多極脈沖磁化，這樣轉(zhuǎn)子永磁體在一個(gè)磁化步內(nèi)即制作完成，使后續(xù)的組裝工作也比較順利。
微電機(jī)的磁性部件尺寸減小時(shí)，它所產(chǎn)生的作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換媒介的氣隙磁場也相應(yīng)變化。在應(yīng)用領(lǐng)域中，微電機(jī)的主要性能指標(biāo)是輸出轉(zhuǎn)矩，而轉(zhuǎn)矩正比于永磁轉(zhuǎn)子在氣隙中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，當(dāng)電機(jī)尺寸改變時(shí)，加載電流后，轉(zhuǎn)矩也將隨之改變。因此轉(zhuǎn)子磁場分析對該類結(jié)構(gòu)電機(jī)的設(shè)計(jì)非常重要。軸向磁化永磁微電機(jī)定子線圈采用MEMs工藝光刻電鑄而成，為無槽結(jié)構(gòu)，直接放置在軸向氣隙中，氣隙相對普通電機(jī)較大。
1轉(zhuǎn)子磁場有限元仿真分析
1．1微電機(jī)轉(zhuǎn)子的物理模型和數(shù)學(xué)模型
軸向磁化永磁微電機(jī)采用包括若干個(gè)平面線圈的定子和軸向磁化的燒結(jié)釹鐵硼雙轉(zhuǎn)子共同組成的三明治結(jié)構(gòu)(如圖l所示)，轉(zhuǎn)子一體化多極軸向充磁，N、s交替成輻射狀均布于圓盤表面。電機(jī)中各部分磁密分布不均勻，不同半徑處的磁路長度不相同，致使其磁場計(jì)算比普通圓柱式電機(jī)復(fù)雜。為了精確計(jì)算磁場分布，利用有限元軟件ANsYs電磁模塊對平面電機(jī)進(jìn)行電磁場仿真分析。
電機(jī)的空載磁場是靜磁場，用標(biāo)量磁勢法進(jìn)行計(jì)算。麥克斯韋方程組是電磁場有限元分析的依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)，由麥克斯韋方程組可知，在穩(wěn)定磁場的無電流區(qū)域，磁場強(qiáng)度矢量的旋度為零，即：
引入標(biāo)量磁勢作為待求量
式中：φm為標(biāo)量磁勢，H為磁場強(qiáng)度矢量。
將式(2)代人式(1)，可導(dǎo)出標(biāo)量磁勢滿足的偏微分方程，即拉普拉斯方程：
將該泛定方程與邊界條件合在一起，構(gòu)成了邊值問題，即穩(wěn)定磁場求解問題的數(shù)學(xué)模型：
式中：Ω為求解區(qū)域，Г1為Dmchlet邊界條件，Г2為Neumann邊界條件，Bn為磁通密度矢量的法向分量，μ為磁導(dǎo)率。
l 2磁場計(jì)算結(jié)果
磁場計(jì)算結(jié)果表明，氣隙磁密的分布與半徑有關(guān)(圖2為平均半徑處周向展開截面的通量線分布圖)，在某個(gè)半徑處氣隙磁密分布近似為矩形波，在平均半徑附近氣隙磁 |
