轴向磁化永磁微电机转子磁场分析
杨杰伟，苏宇锋，刘武发，吴一辉
(1郑州大学，河南郑州4500Ol；2中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033)
摘要：为研究尺寸效应对轴向磁化永磁电机性能的影响，采用有限元方法对双转子电机的磁场进行了仿真计算，得出了轴同磁化永磁电机转子的气隙磁密波形分布。分析了转子外形尺寸、充磁极数、磁体厚度和气隙长度对气隙磁密的影响，即随着气隙长度的增加，充磁极数多的转子产生的气隙磁密幅值的减小幅度大于充磁极数少的；随着磁体厚度的增加，气隙磁密为一上升曲线，当磁体厚度达到某一点时，气隙磁密幅值基本为一常数；减小转子直径时，随着磁体厚度的降低，平均半径处气隙磁密幅值的减小幅度越来越不明显，但为不使气隙磁密波形变形严重，水磁转子径向长度需至少大于1. 5 mm。分析结果可对该类电机微小型化过程中的设计起指导作用。
0引 言
近年来，电子机械系统微小型化的发展日新月异，微电机作为微机电系统的关键部件，在电子机械系统中起主要作用。微电机微小型化将引起一系列性能的相应变化，即随着尺寸的减小，一方面，定子线圈微小型化，使线圈制作困难且安匝数下降；另一方面，电机的转矩、功率和效率降低。制作永磁转子的常规方法是，将较大的烧结磁块切割成小磁体，对小磁体逐个进行磁化，然后安装定位于转子铁轭。在微电机微小型化过程中采用这种方法制作永磁转子就很困难了，因为微电机的微小型化必然促使永磁体向微小型化方向发展，这样不但使永磁体充磁困难，而且由于磁体是在组装之前被磁化的，对磁体的安装定位也很不方便。为克服传统方法的弊端，采用一体化多极磁化方法，即对整块磁体进行多极脉冲磁化，这样转子永磁体在一个磁化步内即制作完成，使后续的组装工作也比较顺利。
微电机的磁性部件尺寸减小时，它所产生的作为机电能量转换媒介的气隙磁场也相应变化。在应用领域中，微电机的主要性能指标是输出转矩，而转矩正比于永磁转子在气隙中产生的磁感应强度，当电机尺寸改变时，加载电流后，转矩也将随之改变。因此转子磁场分析对该类结构电机的设计非常重要。轴向磁化永磁微电机定子线圈采用MEMs工艺光刻电铸而成，为无槽结构，直接放置在轴向气隙中，气隙相对普通电机较大。
1转子磁场有限元仿真分析
1．1微电机转子的物理模型和数学模型
轴向磁化永磁微电机采用包括若干个平面线圈的定子和轴向磁化的烧结钕铁硼双转子共同组成的三明治结构(如图l所示)，转子一体化多极轴向充磁，N、s交替成辐射状均布于圆盘表面。电机中各部分磁密分布不均匀，不同半径处的磁路长度不相同，致使其磁场计算比普通圆柱式电机复杂。为了精确计算磁场分布，利用有限元软件ANsYs电磁模块对平面电机进行电磁场仿真分析。
电机的空载磁场是静磁场，用标量磁势法进行计算。麦克斯韦方程组是电磁场有限元分析的依据和出发点，由麦克斯韦方程组可知，在稳定磁场的无电流区域，磁场强度矢量的旋度为零，即：
引入标量磁势作为待求量
式中：φm为标量磁势，H为磁场强度矢量。
将式(2)代人式(1)，可导出标量磁势满足的偏微分方程，即拉普拉斯方程：
将该泛定方程与边界条件合在一起，构成了边值问题，即稳定磁场求解问题的数学模型：
式中：Ω为求解区域，Г1为Dmchlet边界条件，Г2为Neumann边界条件，Bn为磁通密度矢量的法向分量，μ为磁导率。
l 2磁场计算结果
磁场计算结果表明，气隙磁密的分布与半径有关(图2为平均半径处周向展开截面的通量线分布图)，在某个半径处气隙磁密分布近似为矩形波，在平均半径附近气隙磁 |
