基于ANSYS的無軸承永磁薄片電動機(jī)特性分析
徐亞超，朱烷秋
(江蘇大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江212013)
摘要：介紹了無軸承薄片電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，用轉(zhuǎn)子氣隙磁場積分的方法推導(dǎo)出電機(jī)懸浮力和電磁轉(zhuǎn)矩數(shù)學(xué)模型。利用ANSYS有限元分析軟件，分析了電機(jī)轉(zhuǎn)子圓周面上徑向懸浮力的分布，驗證了徑向懸浮力產(chǎn)生機(jī)理和數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確性，分析了徑向懸浮力和轉(zhuǎn)矩的特性，為電機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)建提供了理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：無軸承薄片電動機(jī)；ANSYS；徑向懸浮力；轉(zhuǎn)矩
中圖分類號：TM351 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—7018(2010)04—0004—04
0引言
近年來，無軸承技術(shù)的迅猛發(fā)展引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。無軸承永磁電動機(jī)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(yōu)點，并且無軸承永磁電動機(jī)比采用磁軸承支撐的電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，為研究特種新型電氣傳動系統(tǒng)提供了設(shè)計空間。無軸承永磁電動機(jī)與其它類型無軸承電動機(jī)相比，具有以下優(yōu)點：①由于轉(zhuǎn)子永磁體的存在，代替了電機(jī)勵磁繞組作為勵磁源，電能消耗較少；②相對于異步電動機(jī)為補(bǔ)償相角滯后的雜控制回路，永磁電動機(jī)的控制回路簡單；③永磁電動機(jī)的效率和功率因數(shù)比異步電動機(jī)和同步磁阻電動機(jī)要高。無軸承永磁薄片電動機(jī)是一種特殊的永磁電機(jī)，其主要特點是指電機(jī)轉(zhuǎn)子的軸向長度大大于轉(zhuǎn)子的半徑，使轉(zhuǎn)子成薄片狀，從而薄片轉(zhuǎn)子可憑借磁拉力實現(xiàn)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(jìn)行控制，使得電機(jī)控制更加簡單。元軸承永磁薄片電動機(jī)真正結(jié)合了無軸季永磁電動機(jī)和薄片電動機(jī)本身結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，具有較好的高速、低速性能、回轉(zhuǎn)精度及負(fù)載能力。由于其獨特的優(yōu)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(xué)等領(lǐng)域得到了典型的應(yīng)用[1-4]。
本文闡述了無軸承永磁薄片電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，推導(dǎo)了徑向懸浮力數(shù)學(xué)模型，并采用AN—SYS有限元分析和計算軟件，利用該電機(jī)的2D截面分別對電機(jī)磁場、徑向懸浮力分布和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了分析，為設(shè)計出具有實用價值的無軸承薄片電動機(jī)奠定基礎(chǔ)。
1無軸承永磁薄片電動機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理
1 1結(jié)構(gòu)
無軸承永磁薄片電動機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示．由轉(zhuǎn)子、鐵心柱、徑向懸浮力繞組和轉(zhuǎn)矩繞組組成。
這種電機(jī)的磁路通過永磁轉(zhuǎn)子、鐵心柱和電機(jī)底部的定子磁軛形成回路。控制無軸承電機(jī)軸承繞組和轉(zhuǎn)矩繞組中的電流能實現(xiàn)薄片轉(zhuǎn)子徑向位置和旋轉(zhuǎn)的主動控制。
1．2工作原理
在無軸承永磁薄片電機(jī)定子中放入極對數(shù)分別為pB和pM的懸浮繞組和轉(zhuǎn)矩繞組，當(dāng)懸浮繞組通人電流后，所產(chǎn)生的磁場打破了電機(jī)原有旋轉(zhuǎn)磁場的均衡，使得電機(jī)氣隙中某一區(qū)域磁場增強(qiáng)，而其對稱區(qū)域磁場減弱，產(chǎn)生指向磁場增強(qiáng)方向的磁張應(yīng)力。當(dāng)電角頻率相同，兩個繞組產(chǎn)生磁場的旋轉(zhuǎn)方向一致，且當(dāng)pB=pM±1時，電機(jī)中就可以產(chǎn)生可控的單一方向的徑向懸浮力。如圖2所示，圖中(pM=1，pe=2)一對極磁場為電機(jī)中的原有磁場，兩對極磁場為懸浮磁場。
增強(qiáng)，產(chǎn)生向右z軸方向上的徑向力；圖2b中，上部磁場增強(qiáng)，下部磁場減弱，產(chǎn)生向上y軸方向上的徑向力。
圖3a、3b分別為轉(zhuǎn)子在軸向和扭轉(zhuǎn)方向上所受的被動懸浮力和回復(fù)力矩。當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生軸向偏移時，磁拉力總會將轉(zhuǎn)子向磁阻最小的方向拉，從而穩(wěn)定了轉(zhuǎn)子的軸向位置；當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，同理也會產(chǎn)生反向的磁拉力矩，迫使轉(zhuǎn)子回到平衡位置[5]。
2無軸承永磁薄片電機(jī)數(shù)學(xué)模型
2．1轉(zhuǎn)子無偏心時的徑向懸浮力模型
為便于對電機(jī)徑向懸浮力的分析，電機(jī)需滿足以下條件：
(1)pB=pM±1；
(2)兩套繞組產(chǎn)生磁場旋轉(zhuǎn)方向一致；
(3)兩套繞組的電流角頻率ω1=ω2。
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