一种新的无轴承永磁同步电机径向悬浮力研究方法

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1、河北交流HEBEINONGJI农机摘要：本文针对无轴承永磁同步电机，充分考虑径向悬浮力产生原理，推导了径向悬浮力数学模型。运用Ansoft对无轴承永磁同步电机的内部磁场和径向悬浮力进行了瞬态分析，得到径向悬浮力在x，y轴上的动态波形曲线。通过气隙磁密基波幅值法分析了径向悬浮力数学模型值，与有限元仿真数据相结合，验证了数学模型的正确性。关键词：无轴承永磁同步电机；径向悬浮力；数学模型；有限元一种新的无轴承永磁同步电机径向悬浮力研究方法国网湖北省电力公司神农架供电公司汪泉汪明涛1引言将上式沿圆周积分，得径向悬浮力沿x方向上的分量为：随

2、着现代农业科技、电力电子技术、微电子技术、新型电机πlrFx=B1B2cos(λ-μ)(4)2μ0控制理论和稀土永磁材料的快速发展，使得永磁同步电动机在离心泵、机械加工、干燥机、高精数控机床等领域得以迅速的推其中，P1=1，P2=2，ω1=ω2。同样的可得到径向悬浮力沿y方向上的分量为：广应用。永磁同步电机与传统的电励磁同步电机相比，效率高、πlr损耗少、节电效果明显，这些优点在稀土永磁同步电机上表现的Fy=B1B2sin(λ-μ)(5)2μ0尤为显著，因而它成为了近年来广受研究并在各个领域中广泛分析Fx和Fy的公式可知，Fx正好

3、为一余弦函数，而Fy为一应用的一种电动机[1]。无轴承永磁同步电机充分利用了磁轴承与正弦函数，令它们的幅值为：电机产生电磁力原理的相似性，把磁轴承中产生径向力的绕组πlrFr=B1B2(6)安装在电机定子上，通过解耦控制，独立控制了电机转矩和径向2μ0悬浮力。无轴承电机被广泛应用于需要免维修、长寿命运行，无分析(6)可得，若能获得气隙磁密幅值B1和B2便能得到Fr菌、无污染以及有毒有害液体或气体的传输等场合[2-3]。因此，研的值。究无轴承永磁同步电机是非常有价值的。3电机的有限元模型与磁场分析基于迦辽金加权余量法或变分原理的有限

4、元法，最早用于参数：P1=1，P2=2，转矩绕组的额定电流为10A，径向悬浮力力学计算中[4]，其具有以下优点：系数矩阵对称、正定且具有稀疏绕组的额定电流为10A，定子槽数12，定子铁芯外径155mm，定性，几何剖分灵活，有利于分析几何形状复杂的问题；适宜于处子铁芯内径98mm，转子外径93mm，转子内径50mm，铁芯长度理非线性问题。本文在基于电磁场理论基础上推导出无轴承永135mm，转矩绕组和径向悬浮力绕组每槽匝数为40，转速磁同步电机径向悬浮力数学模型。基于有限元的优点，在An-3000rpm。soft/Maxwell有限元

5、分析软件基础上，提出了一种简单的气隙磁定子槽分成内层和外层两部分，分别嵌入径向悬浮力绕组密基波法对无轴承永磁同步电机径向悬浮力数学模型进行研究和转矩绕组。图1为电机磁力线分布图。左边为只加转矩绕组验证，仿真结果验证了径向悬浮力数学模型的正确性。电流时磁力线呈两极对称分布；中图表示的是只加径向悬浮力2径向悬浮力数学模型绕组电流时磁力线呈四极对称分布；右图为两绕组同时通过三忽略洛仑磁力和由于转子偏心而引起的径向作用力。不计相对称电流时合成磁力线分布，可以看出磁力线密集的位置位电机磁饱和、涡流损耗与齿槽效应。假定铁芯和气隙的磁导率分于y

6、轴的负方向上，而y轴正方向上的磁力线则很稀疏，根据别为μFe与μ0，并且μFe远大于μ0，铁芯与气隙交界面上的法电磁场麦克斯韦力产生原理，可知电机沿y轴负方向产生了径向磁感应强度和切向磁场强度分别为Bm，Hm，由于Hm≈0，作用向悬浮力。在转子表面面积为元dA上的麦克斯韦力可表示为:μFe-μB2dAB2ldrθdF=0(B2+μμH)dA≈m=m(1)1mFe0m2Feμ02μ02μ0式中，μ=4×10-7H/m，l为铁芯长度，r为转子外半径，θ为0空间位置角。气隙中的合成磁密为:B(θ,t)=B1cos（ω1t-ρ1θ-μ)+

7、B2cos（ω2t-ρ2θ-λ)(2)其中，B1，B2分别为永磁体、转矩绕组共同产生的气隙磁密幅值和径向悬浮力绕组单独产生的气隙磁密基波幅值；μ、λ为图1磁力线分布初始相位角；ω1、ω2为转矩绕组和径向悬浮力绕组的电角频率。4径向悬浮力的有限元值和数学模型值可将转子表面单位面积上的径向悬浮力写成：dF(θ,t)=同时给转矩绕组和径向悬浮力绕组通以10A额定三相对称lr22μ[B1cos（ω1t-ρ1θ-μ)+B2cos（ω2t-ρ2θ-λ)]dθ(3)交流电时，在Ansoft/Maxwell中Fx和Fy的有限元波形曲线分别0如图2

8、所示。由图可知Fx为一余弦曲线，而Fy为一正弦曲线，与462014年第8期河北HEBEINONGJI交流农机径向悬浮力数学模型分析结果一致。从图中读取其幅值记作将表1中的数据在Matlab中进行曲线拟合，可得曲线图5。Ft=280N。图2有限元波形