磁悬浮永磁电机的结构设计与分析

2013-05-04胡峰，曾励，张强

机械工程与自动化 2013年3期

胡峰，曾励，张强

（扬州大学机械工程学院，江苏扬州 225127）

0 引言

随着工业现代化的发展，人们对电机的要求不断提高，不仅要求电机提供大的转矩，而且要实现高速甚至超高速运行。但是电机在高速运行时，机械轴承的机械摩擦产生的摩擦阻力及发热问题，严重阻碍了高速电机的发展［1］，磁悬浮轴承的出现解决了这个问题。磁悬浮轴承利用电磁力能使电机转子无接触地悬浮于空中运行，不仅使电动机能够实现高速运动，而且从根本上解决了机械摩擦问题。本文针对永磁电机设计了一款磁悬浮轴承，不仅对磁轴承的结构参数进行了计算，而且利用ANSYS软件对结构进行了电磁分析及优化。

1 磁悬浮永磁电机的总体结构

磁悬浮永磁电机的结构见图1。永磁电机的磁悬浮轴承主要包括径向永磁轴承和轴向电磁轴承及永磁电机。径向永磁轴承1、2对称分布在电机两侧，径向磁轴承和轴向磁轴承共同作用，使电机转子悬浮运行。在电机的两端还装有一对机械轴承5、6，机械轴承与电机转子的径向和轴向都有间隙，其径向气隙值和轴向气隙值分别小于轴向磁轴承和径向磁轴承气隙值，这样当载荷过大时对电机及磁轴承起保护作用。电机部分选用永磁同步电机，主要向外部输出转矩。

2 径向永磁轴承的结构计算及分析

2.1 径向永磁轴承的结构计算

径向永磁轴承大致可分为吸力型和斥力型。吸力型磁轴承结构中，磁环自身退磁磁场都在动磁环和静磁环的邻边减少，在斥力型永磁轴承结构中，磁环位置与磁化方向不同，磁体的永久磁场加大了其相邻的退磁磁场强度［2］，因此，这里选用斥力型永磁轴承。永磁环材料选用N42 M型永磁材料。另外，永磁轴承的内、外磁环装配时，左右不是对齐的，存在一个较小的偏移量，这样是为了让两个永磁轴承在轴向尽可能地达到稳定。

图1 磁悬浮永磁电机结构

径向永磁轴承是由多个磁环叠加而成，按照充磁方向的不同，可将磁环尺寸的计算分为径向充磁和轴向充磁两种情况，本设计选用轴向充磁。下面就单对磁环的尺寸进行计算，设定磁路中磁感应强度为Bm、磁场强度为Hm、磁路长度为Lm、截面面积为Sm，工作气隙中的磁感应强度为Bg、磁场强度为Hg、磁路长度为Lg、截面面积为Sg，支架壁厚为ω0。

由安培环路定理［3］，在磁环外部空气和转子磁路中有：

在磁环间工作气隙磁路中有：

其中：Hrotor为转子磁环的磁场强度；Hair为磁环外部空气中的磁场强度；H′air为磁环间工作气隙的磁场强度；Lrotor为转子磁环磁路长度；Lair为磁环在空气中的磁路长度。

将空气和转子的磁场强度等效为工作气隙中的磁场，根据此磁路的磁场分布情况发现，它们之间大致满足这样一个关系，即：。再有 BmSm＝σμ0HgSg、Lair＝2ω0、Lrotor＝Lm＋2ω0。将上述条件代入式（1）和式（2）整理得：

其中：σ为磁漏系数，σ＝4.5；μ0为真空磁导率，μ0＝4π×10－7H／m。

设永磁体静态工作点在最佳工作点处，N42 M的相关参数已知，Bm＝0.661 T，Hm＝497 k A／m，Lg＝0.5 mm，ω0＝3 mm，并要求气隙磁场Bg达到1 T～1.4 T，则由式（3）求得永磁环的几何尺寸Lm＝6.44 mm，取Lm＝6 mm。

2.2 径向永磁轴承的结构电磁分析

在轴向磁化的磁环叠加数目n＝6且内、外磁环轴向和径向无偏心时，采用2 D有限元模型对其进行分析。

对多层磁环轴向磁化时的磁力线分布图见图2。当叠加磁环轴向磁化时其磁力线分布均匀，且主要分布在磁环上、下两端面，另外，也存在靠转轴一端磁漏较大的现象。图3为径向磁轴承磁密云图。由图3可知，当叠加磁环在轴向磁化时，永磁体中磁感应强度在0.55 T～0.75 T间，比较靠近永磁体的最佳工作点，磁环间工作气隙的磁感应强度在1.0 T～1.3 T之间，也在设计值范围内，而且分布均匀对称。

叠加磁环气隙磁密曲线图见图4。气隙磁密主要集中分布在内、外磁环的外表面，基本呈对称分布，另外，图4中显示的气隙磁场Bg值偏小，是由于它显示的只是轴承端部气隙边缘的磁场值，气隙处的实际值可以通过磁密云图获得。

综上分析，最终确定永磁环Lm＝6 mm，磁环高h＝7 mm，又经分析知永磁环的电磁性能与其半径基本无关，因此，这里选取内磁环外径d1＝22 c m、内径d2＝20.7 c m，外磁环内径d3＝23 c m、外径d4＝24.40 c m。永磁径向轴承承载力F1可由下式计算：

其中：A0为气隙截面积，A0≈0.001 38 m2。取Bg＝1.3 T。将相关参数代入式（4），计算得F1＝1 891.72 N。

图2 多层磁环轴向磁化时磁力线分布图

图3 径向磁轴承磁密云图

图4 叠加磁环气隙磁密曲线图

3 轴向电磁轴承的结构计算及分析

3.1 轴向电磁轴承的结构计算

轴向电磁轴承结构如图5所示，转子磁盘采用整体材料电工纯铁制成。为了充分利用材料，采用等磁阻原则，即各段磁极面积相等。图5中，D为轴向磁力轴承定子外径，D1为轴向磁力轴承定子内径，L为定子宽度，x为定子与转子间的气隙，A1、A2分别为两段磁路的面积，且面积均为A。

轴向磁力轴承结构设计的理论计算公式如下：

轴向磁力轴承的参数及尺寸如下：占空系数λ＝0.7，电流密度J＝3 A／mm2，轴向磁力轴承磁极面积A＝10 990 mm2，x＝0.6 mm，D1＝190 mm，D＝290 mm，定子磁盘厚度a＝35 mm，L＝75 mm，电工纯铁磁饱和感应强度Bs＝1.50 T，线圈腔面积Acu＝682.43 mm2。将以上参数代入式（5），计算得轴向磁力轴承的承载力为F2＝5.201×103N。

图5 轴向电磁轴承结构图

3.2 轴向电磁轴承的结构电磁分析

下面采用有限元软件ANSYS对轴向磁力轴承定子与转子进行电磁场分析，求出磁力线、磁感应强度云图、磁场强度矢量图等主要的电磁特征参数的分布图。整个场域是由定子、转子、主轴以及气隙等4部分组成［4］。

由于轴向磁力轴承横截面图是轴对称图形，因此，只需取截面图的1／4进行分析计算，将相关边界条件及结构参数分别代入有限元软件ANSYS中，计算轴向磁力轴承的电磁特性。求解得到图6和图7所示的磁力线分布图和磁感应强度分布云图。

图6、图7清晰地表示出了磁分布情况：①轴向磁力轴承的磁感应强度在定子、转子磁路与气隙中间分布比较均匀，在气隙边沿和边角部分磁力线稀疏，磁感应强度弱；②轴向磁力轴承有磁漏现象，主要是向线圈中泄漏，实际上如果没有限定边界条件的话，还应该会通过转子圆盘向主轴轴心泄漏和向外空间泄漏，只是为了计算磁场方便，在实际应用ANSYS软件分析时，假定边界没有磁通［5］，因此没有出现磁漏现象；③尽管存在磁漏，不过不管在哪个方向，其泄漏都不大，因此在前述磁力轴承结构设计中，假设没有磁漏是可行的。