ANSYS在無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
張濤
(淮陰工學(xué)院，江蘇淮安223001)
摘要：在無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)、分析。設(shè)計(jì)結(jié)果直觀、準(zhǔn)確，能夠節(jié)約永磁材料和縮短設(shè)計(jì)周期。
關(guān)鍵詞：無(wú)軸承電動(dòng)機(jī)；永磁同步電動(dòng)機(jī)；ANSYS；電磁分析
中圖分類號(hào)：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7018(2008)04-0015-03
0引 言
磁軸承具有無(wú)接觸、不需潤(rùn)滑的優(yōu)點(diǎn)，已在現(xiàn)代高速機(jī)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(dòng)機(jī)的微型化，也限制了其臨界轉(zhuǎn)速和輸出功率的進(jìn)一步提高。
利用磁軸承和電機(jī)結(jié)構(gòu)的相似性，在電動(dòng)機(jī)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(chǎng)通過(guò)氣隙相互作用產(chǎn)生徑向力，該力作用于電機(jī)轉(zhuǎn)子上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸浮控制，從而形成了無(wú)軸承電機(jī)。無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)與無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)和無(wú)軸承同步磁阻電動(dòng)機(jī)相比具有一些優(yōu)點(diǎn)[1,2]：①永磁體的存在，代替了定子勵(lì)磁繞組作為勵(lì)磁源，就不再需要激磁電流(id=O)；②相對(duì)于無(wú)軸承異步電動(dòng)機(jī)的補(bǔ)償相角滯后的復(fù)雜控制回路來(lái)說(shuō)，無(wú)軸承永磁電動(dòng)機(jī)的控制回路相對(duì)簡(jiǎn)單；③功率因數(shù)和效率較高。而實(shí)際上，目前也只有無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)得到了實(shí)際應(yīng)用，其他類型的無(wú)軸承電動(dòng)機(jī)尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。
無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部磁場(chǎng)由永磁體磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)矩繞組通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)和徑向力繞組通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)三者相互疊加而成的。內(nèi)部磁場(chǎng)關(guān)系非常復(fù)雜。由于氣隙磁飽和的影響，同時(shí)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(chǎng)關(guān)系是進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)和調(diào)試運(yùn)行的關(guān)鍵。
AISISYS是通用的有限元分析軟件，在ANSYS中建立電動(dòng)機(jī)分析模型，進(jìn)行求解，通過(guò)后處理可以直觀地看出無(wú)軸承電動(dòng)機(jī)懸浮原理、內(nèi)部磁力線分布、磁密分布和計(jì)算其徑向力、轉(zhuǎn)矩，并且精度較高。同時(shí)固定氣隙存在一個(gè)****的永磁體厚度，所產(chǎn)生的徑向力****。
本文采用ANSYS 7．0軟件對(duì)無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行二維電磁場(chǎng)靜態(tài)分析，簡(jiǎn)要介紹了分析步驟，闡述了電動(dòng)機(jī)懸浮原理，計(jì)算了本文設(shè)計(jì)的無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)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(jìn)入Main menu>Preference5，選擇與電磁分析相關(guān)的選項(xiàng)來(lái)過(guò)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(jiǎn)單、方便的用戶圖形界面方式來(lái)進(jìn)行分析，根據(jù)電機(jī)的實(shí)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(duì)磁導(dǎo)率為1。
(3)采用小塊永磁體拼裝成4個(gè)磁極，定義每塊小磁體的相對(duì)磁導(dǎo)率為1和每個(gè)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(duì)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(jìn)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(jìn)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(jī)外圓周。 點(diǎn)擊solution>ElecnmaEnet>Static Analysis，進(jìn)行自動(dòng)求解，接著進(jìn)入后處理分析階段。
3后處理及分析[2-7]
3．1無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)懸浮原理驗(yàn)證
由文獻(xiàn)[2]可知，無(wú)軸承永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣 |
