ANSYS在无轴承永磁同步电动机设计中的应用
张涛
(淮阴工学院，江苏淮安223001)
摘要：在无轴承永磁同步电动机设计中，应用ANSYS软件进行辅助设计、分析。设计结果直观、准确，能够节约永磁材料和缩短设计周期。
关键词：无轴承电动机；永磁同步电动机；ANSYS；电磁分析
中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1004-7018(2008)04-0015-03
0引 言
磁轴承具有无接触、不需润滑的优点，已在现代高速机械设备中得以应用。但由于磁轴承成本高，本身又占有一定的轴向空间，限制了高速电动机的微型化，也限制了其临界转速和输出功率的进一步提高。
利用磁轴承和电机结构的相似性，在电动机定子槽中嵌入两套绕组，转矩绕组与径向力绕组，转矩绕组产生转矩，径向力绕组产生径向力。两套绕组的磁场通过气隙相互作用产生径向力，该力作用于电机转子上实现转子的悬浮控制，从而形成了无轴承电机。无轴承永磁同步电动机与无轴承异步电动机和无轴承同步磁阻电动机相比具有一些优点[1,2]：①永磁体的存在，代替了定子励磁绕组作为励磁源，就不再需要激磁电流(id=O)；②相对于无轴承异步电动机的补偿相角滞后的复杂控制回路来说，无轴承永磁电动机的控制回路相对简单；③功率因数和效率较高。而实际上，目前也只有无轴承永磁同步电动机得到了实际应用，其他类型的无轴承电动机尚处于实验室研究阶段。
无轴承永磁同步电动机的内部磁场由永磁体磁场、转矩绕组通电产生的磁场和径向力绕组通电产生的磁场三者相互叠加而成的。内部磁场关系非常复杂。由于气隙磁饱和的影响，同时径向力与径向力绕组电流呈非线性关系，所以清楚地掌握内部磁场关系是进行电机设计和调试运行的关键。
AISISYS是通用的有限元分析软件，在ANSYS中建立电动机分析模型，进行求解，通过后处理可以直观地看出无轴承电动机悬浮原理、内部磁力线分布、磁密分布和计算其径向力、转矩，并且精度较高。同时固定气隙存在一个****的永磁体厚度，所产生的径向力****。
本文采用ANSYS 7．0软件对无轴承永磁同步电动机进行二维电磁场静态分析，简要介绍了分析步骤，阐述了电动机悬浮原理，计算了本文设计的无轴承永磁同步电动机产生的径向力和转矩。
1前处理阶段
前处理阶段主要包括建立有限元分析几何模型、定义材料属性和单元类型、划分网格，形成有限元分析模型。
l.1建立几何模型
进入Main menu>Preference5，选择与电磁分析相关的选项来过滤可视化图形用户界面，只显示与电磁分析有关的内容。本文采用简单、方便的用户图形界面方式来进行分析，根据电机的实际尺寸，建立二维模型如图1所示。
1．2定义材料属性和设置单元类型
(1)定、转子铁磁材料定义其B-H曲线。
(2)绕组和气隙区域定义其相对磁导率为1。
(3)采用小块永磁体拼装成4个磁极，定义每块小磁体的相对磁导率为1和每个小块永磁体的矫顽力。 所有区域采用PLANE53单元。根据区域的不同，将定义的材料和单元类型分配给对应的区域。
1．3网格剖分
采用三角形网格，利用MESHTOOL中的智能网格剖分工具进行剖分，精度为6，剖分结果如图2所示，形成有限元分析模型，进人加载、求解阶段。  2加载、求解阶段
在本文分析中，给绕组区域施加载荷为电流密度  ，Ⅳ为每槽绕组匝数；，为每匝绕组中的电流；s为绕组区域面积。边界取外边界条件，也就是让磁力线平行与电机外圆周。 点击solution>ElecnmaEnet>Static Analysis，进行自动求解，接着进入后处理分析阶段。
3后处理及分析[2-7]
3．1无轴承永磁同步电动机悬浮原理验证
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