永磁型动力磁轴承结构优化设计及电磁场分析

动力磁悬浮轴承(简称动力磁轴承)具有自驱动与自悬浮能力,可实现转子无接触旋转。由于永磁电机无需转矩绕组励磁电流,具有效率高、结构尺寸小、功率密度大等特点,因此将永磁电机应用于动力磁轴承可充分发挥永磁电机的上述优势,使动力磁轴承具有更加宽广的应用领域。 本文采用ANSYS有限元分析软件,以气隙磁场分布、悬浮力、输出转矩为设计目标,对永磁型动力磁轴承进行了结构分析与优化设计。 详细分析了永磁型动力磁轴承内的两种电磁力及其运行机理,推导出转矩数学模型及基于转子偏心情况下的悬浮力解析模型。 对永磁型动力磁轴承进行了永磁材料选择和结构设计,推导出定子槽型设计公式及匝数计算公式。基于ANSYS分析了永磁型动力磁轴承表面凸出式与内置切向式两种磁路结构的气隙磁密波形,根据所得出的分析结果,最终选定动力磁轴承的磁路结构为表面凸出式。 运用ANSYS对永磁型动力磁轴承进行了实体建模,通过对其内部的电磁场分析,验证了永磁型动力磁轴承的悬浮原理。以径向悬浮力大小为评定依据,选择了两套绕组极数的最优配合。给出了永磁型动力磁轴承的样机参数,并以此进行分析,得出了单边磁拉力与转子偏心率关系、可控悬浮力与悬浮绕组电流关系,以及转子偏心情况下,径向悬浮力与悬浮绕组电流关系。 以气隙磁密畸变率为最小、径向悬浮力为最大、悬浮绕组电流为最小与永磁材料用量为最少为设计目标,优化设计了永磁体厚度、宽度、定子轭部高度与气隙长度,得出表面凸出式永磁型动力磁轴承的最优结构尺寸。