ANSYS在無軸承永磁同步電動機設計中的應用
張濤
(淮陰工學院，江蘇淮安223001)
摘要：在無軸承永磁同步電動機設計中，應用ANSYS軟件進行輔助設計、分析。設計結果直觀、準確，能夠節約永磁材料和縮短設計周期。
關鍵詞：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、不需潤滑的優點，已在現代高速機械設備中得以應用。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，也限制了其臨界轉速和輸出功率的進一步提高。
利用磁軸承和電機結構的相似性，在電動機定子槽中嵌入兩套繞組，轉矩繞組與徑向力繞組，轉矩繞組產生轉矩，徑向力繞組產生徑向力。兩套繞組的磁場通過氣隙相互作用產生徑向力，該力作用于電機轉子上實現轉子的懸浮控制，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部磁場由永磁體磁場、轉矩繞組通電產生的磁場和徑向力繞組通電產生的磁場三者相互疊加而成的。內部磁場關系非常復雜。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系，所以清楚地掌握內部磁場關系是進行電機設計和調試運行的關鍵。
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、內部磁力線分布、磁密分布和計算其徑向力、轉矩，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，計算了本文設計的無軸承永磁同步電動機產生的徑向力和轉矩。
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的內容。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定義材料屬性和設置單元類型
(1)定、轉子鐵磁材料定義其B-H曲線。
(2)繞組和氣隙區域定義其相對磁導率為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率為1和每個小塊永磁體的矯頑力。 所有區域采用PLANE53單元。根據區域的不同，將定義的材料和單元類型分配給對應的區域。
1．3網格剖分
采用三角形網格，利用MESHTOOL中的智能網格剖分工具進行剖分，精度為6，剖分結果如圖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，給繞組區域施加載荷為電流密度  ，Ⅳ為每槽繞組匝數；，為每匝繞組中的電流；s為繞組區域面積。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
由文獻[2]可知，無軸承永磁同步電動機的氣隙磁場主要是永磁體產生的磁場。根據上面給出的二維有限元模型，首先對無軸承電動機內部復雜的磁場進行分析研究，驗證無軸承電動機運行原理。當轉矩繞組加上三相電流，而徑向力繞組不通電，可以看出此時磁場呈四極分布。然后轉矩繞組不通電，而徑向力繞組加上三相電流，此時電機內部磁場呈6極分布，如圖3所示。將兩套繞組同時通電，則電
機內部的磁場就發生變化，與文獻[2]提到的無軸承電機原理相同，根據麥克斯韋力產生原理可以得知：此時電機中確實產生了徑向力，如圖4所示。從上面的分析可以看出：徑向力繞組氣隙磁場打破了四極電機轉矩氣隙磁場的平衡，使得在A點處的磁場減弱，而在對應的B點處磁場得到增強，根據電磁場的基本理論得知，此時確實產生了由A指向B的徑向力。從內部磁場矢量圖5～圖7中更為直觀地看出內部磁場由于相互疊加而產生徑向力的原
理。
圖8a給出了只有轉矩繞組通電轉子受力示意圖，可以看出此時的合力為零；圖8b是只有徑向力繞組通電時轉子受力示意圖，此時轉子所受合力也為零；但是當兩套繞組同時通電時，這時轉子受力如9所示，可以看出此時的合力沿著x軸正方向。可見要實現電動機的無軸承化，定子中的兩套繞組缺一不可。
通過以上分析可知，當兩套繞組同時通過電流時，元軸承電機中確實產生了能夠使轉子懸浮的徑向力。
3．2轉矩與徑向力的計算
對無軸承永磁電動機的運行原理進行驗證之后，下面就對本文設計的樣機轉矩與徑向力進行具體的計算。
根據無軸承永磁同步電動機參數，采用ANSYS有限元分析軟件建立分析模型。具體參數：定子采用兩套三相對稱繞組，轉矩繞組極對數為pM=2，徑向懸浮力繞組極對數為pB=3，定子鐵心外徑155mm，定子鐵心內徑98 mm，轉子外徑88 mm，氣隙寬2 mm，定子槽數36，軸長105 mm，永磁體厚度3mm，轉矩繞組每槽匝數26，徑向懸浮力繞組每槽匝數15，采用稀土釹鐵硼永磁材料，永磁體的剩余磁感強度Br=1．061 T，矯頑力Hc=900 kA／m。定子槽分成內層和外層兩部分，分別嵌入徑向力繞組和轉矩繞組。從無軸承電機基礎理論得知：兩套繞組極對數滿足PB=PM±1，就會產生徑向懸浮力。根據有限元分析的結果已經直觀地驗證理論是正確性。
圖10是徑向力與徑向力繞組電流之間的關系，從中可以看出，徑向力與徑向力繞組電流成正比，單位安培徑向力繞組電流可以產生約32 N的徑向力。
圖11對應的是轉矩與轉矩繞組電流之間的關系，兩者成正比，單位安培轉矩繞組電流能夠產生l.26 N·m的轉矩。如圖12所示，當轉矩繞組通過額定電流為5 A時，產生的轉矩為6．3 N·m，改變徑向力繞組電流可以看出，此時轉矩不隨著徑向力繞組電流變化而變化。
4結語
采用有限元分析軟件ANsYs對無軸承永磁同步電動機進行二維靜態電磁場分析，所介紹的步驟簡潔明了，直觀地驗證了無軸承電動機懸浮原理，計算了電動機的徑向力與轉矩，保證所設計的電機能夠滿足要求。
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