基于ANSYS的无轴承永磁薄片电动机特性分析

  徐亚超，朱烷秋

(江苏大学，江苏镇江212013)

摘要：介绍了无轴承薄片电动机的基本结构和工作原理，用转子气隙磁场积分的方法推导出电机悬浮力和电磁转矩数学模型。利用ANSYS有限元分析软件，分析了电机转子圆周面上径向悬浮力的分布，验证了径向悬浮力产生机理和数学模型准确性，分析了径向悬浮力和转矩的特性，为电机控制系统的构建提供了理论依据。

    关键词：无轴承薄片电动机；ANSYS；径向悬浮力；转矩

    中图分类号：TM351    文献标识码：A    文章编号：1004—7018(2010)04—0004—04

0引言

    近年来，无轴承技术的迅猛发展引起了学术界和工业界的广泛关注。无轴承永磁电动机具有无摩擦、无磨损、无污染、不需润滑和密封、高精度、寿命长等优点，并且无轴承永磁电动机比采用磁轴承支撑的电机结构紧凑，为研究特种新型电气传动系统提供了设计空间。无轴承永磁电动机与其它类型无轴承电动机相比，具有以下优点：①由于转子永磁体的存在，代替了电机励磁绕组作为励磁源，电能消耗较少；②相对于异步电动机为补偿相角滞后的杂控制回路，永磁电动机的控制回路简单；③永磁电动机的效率和功率因数比异步电动机和同步磁阻电动机要高。无轴承永磁薄片电动机是一种特殊的永磁电机，其主要特点是指电机转子的轴向长度大大于转子的半径，使转子成薄片状，从而薄片转子可凭借磁拉力实现三个自由度的被动控制，剩下的径向两自由度由一套悬浮绕组进行控制，使得电机控制更加简单。元轴承永磁薄片电动机真正结合了无轴季永磁电动机和薄片电动机本身结构的优点，具有较好的高速、低速性能、回转精度及负载能力。由于其独特的优点，在一些需要免维修、长寿命运行，无菌、无污染以及有毒有害液体或气体的传输，特别在生命科学等领域得到了典型的应用^[1-4]。

本文阐述了无轴承永磁薄片电动机的结构和工作原理，推导了径向悬浮力数学模型，并采用AN—SYS有限元分析和计算软件，利用该电机的2D截面分别对电机磁场、径向悬浮力分布和转矩进行了分析，为设计出具有实用价值的无轴承薄片电动机奠定基础。

1无轴承永磁薄片电动机结构和工作原理

1 1结构

    无轴承永磁薄片电动机基本结构如图1所示．由转子、铁心柱、径向悬浮力绕组和转矩绕组组成。

这种电机的磁路通过永磁转子、铁心柱和电机底部的定子磁轭形成回路。控制无轴承电机轴承绕组和转矩绕组中的电流能实现薄片转子径向位置和旋转的主动控制。

1．2工作原理

    在无轴承永磁薄片电机定子中放入极对数分别为p_B和p_M的悬浮绕组和转矩绕组，当悬浮绕组通人电流后，所产生的磁场打破了电机原有旋转磁场的均衡，使得电机气隙中某一区域磁场增强，而其对称区域磁场减弱，产生指向磁场增强方向的磁张应力。当电角频率相同，两个绕组产生磁场的旋转方向一致，且当p_B=p_M±1时，电机中就可以产生可控的单一方向的径向悬浮力。如图2所示，图中(p_M=1，p_e=2)一对极磁场为电机中的原有磁场，两对极磁场为悬浮磁场。

增强，产生向右z轴方向上的径向力；图2b中，上部磁场增强，下部磁场减弱，产生向上y轴方向上的径向力。

    图3a、3b分别为转子在轴向和扭转方向上所受的被动悬浮力和回复力矩。当转子发生轴向偏移时，磁拉力总会将转子向磁阻最小的方向拉，从而稳定了转子的轴向位置；当转子发生扭转时，同理也会产生反向的磁拉力矩，迫使转子回到平衡位置^[5]。

2无轴承永磁薄片电机数学模型

2．1转子无偏心时的径向悬浮力模型

    为便于对电机径向悬浮力的分析，电机需满足以下条件：

    (1)p_B=p_M±1；

    (2)两套绕组产生磁场旋转方向一致；

    (3)两套绕组的电流角频率ω₁=ω₂。

    电机中的径向力主要由麦克