摘要：本文应用ANSYS10.0软件对磁悬浮径向轴承进行三维有限元仿真与计算分析，得出磁悬浮径向轴承磁力线，磁感应强度，电磁力在轴承中的分布;最后根据磁轴承线圈的两种绕线方式分析其磁场;并据此分析了径向磁力轴承的几个特点;为径向磁悬浮轴承的优化和控制系统的设计提供了一定的依据。

　　关键词：径向磁力轴承 电磁场 有限元分析

　　Abstract: The paper applied the ANSYS 10.0 ansoftware, through the 3D Finite Element simulation and calculating analsyse to Magnetic Radial Bearing Method, that got hold of the Magnetic Radial Bearing magnetic force,magnetic induction and electromagnetism force of distributing in bearing, the end accordance with two winding ways analyse the magnetic field of Magnetic Bearing coils. And thereby analyse several character of radial magnetic force bearing. The paper research works make a foundation for further studying Magnetic Radial Bearing of optimization and design of control system are of application worthiness.

　　Key words: Radial Magnetic Force Bearing Electromagnetic field Finite Element Analysis

　　一 前言

　　磁悬浮技术是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化高新技术。随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进展,磁悬浮技术得到了很大的进展。尤其在磁悬浮轴承和磁悬浮列车方面有了长足的进步,而应用最广的是磁悬浮轴承。在节能方面，磁轴承是其它任何轴承无法比拟的。磁轴承的能量损耗比一般的机械轴承(滚动轴承和液体轴承)平均低10～100倍左右[1] [5]。

　　在对磁力轴承进行结构优化和控制系统设计时，通常采用简化磁路算法，即忽略漏磁，忽略定子铁心与转子的磁阻，认为磁势全部降落在设计工作气隙上，且该气隙磁通密度均匀，以便在此基础上按一维问题进行理论分析导出计算公式。显然，上述方法对于铁磁材料非线性磁化特性的影响、漏磁效应及边缘效应等无能为力，也无法给出磁场的分布状态，必然导致对磁力轴承的特性和结构参数分析不够全面。因此，采用更为准确的场论分析方法对深人研究磁力轴承的特性很有必要。有限元分析法就是场论方法中较为常用的一种数值计算工具，它在解决非线性、多媒质、形态复杂的电磁场间题方面十分有效，而ANSYS则为功能强大的有限元分析软件。文献[2]用ANSYS研究的径向磁力轴承是将它简化为二维平面问题，本文尝试用三维立体建模分析径向磁力轴承。

　　二 径向磁力轴承电磁场的分析

轴承参数如下[3]：线圈n=144(每极柱72匝)，(导线标准直径)，单边气隙0.3mm，槽满率0.7，加载电流密度为，具体参数如图1。

　　ANSYS求解[4]

　　由于轴承结构关于轴线对称，按四分之一建模。 过滤图形用户界面，定义分析名称; 定义单元，选用SOLID117单元; 3. 定义材料性能;空气磁导率为1，定子与转子是铁磁材料，输入其BH曲线;轴

　　图1轴承结构图 图2四分之一轴承模型

　　图3四分之一轴承网格划分图 图4加空气罩的有限元模型

　　图5四分之一轴承磁力线分布立体图 图6四分之一轴承磁场分布云图

　　图7四分之一轴承气隙磁力线分布图 图8四分之一轴承电磁力分布图

　　(材料为45钢)与线圈磁导率为1;

　　4. 划分网格，用MESH工具划分网格，精度3级，如图3;

　　5. 这里使用单元边法进行分析，因为这种方法是把电流源作为了模型整个网络一部分，计算面广，而且它对静态，谐性，瞬态均可分析。单元边法中只用SOLID117单元。由于要分析近场空间分布，故在电路模型周围罩上空气，如图4;

　　6. 加边界条件(考虑漏磁，以空气罩外侧为零磁势边界)，在加载前，先要给导体两端边界施加平行边界条件，其他为默认的垂直边界条件。加载时，将在场路耦合分析中得到的电流值依据各导体几何尺寸转化为电流密度JS,加载电流密度(体密度)，并求解;

　　7. 后处理;在通用后处理器POST1中查看加载瞬间的磁场、磁力线、电磁力，如图5～图8。

　　三 绕线方式不同对电磁径向轴承的磁场分布

　　电磁径向轴承一对磁极上的绕线方式有两种，同方向和异方向。根据这两种绕线方式作仿真，结果如下：

　　图9一对磁极同方向 图10一对磁极异方向

　　四 仿真结果分析

　　由于整体图形与四分之一图形的各具体参数几乎没什么差别，为了清楚起见，本文不再罗列整体图形。

　　根据图5、图6、图7、图8可以得出如下结论： 磁力线大部分集中于磁极及其对应的转子部分; 磁极之间相互有磁耦合，可以采取一种新结构减少磁耦合，即将磁轴承的磁轭按磁极对等分为四部分结构，切断磁耦合路径; 定子和相应的转子部分所构成的局部磁场都不是均匀分布的。其中定子磁极极柱上的磁感应强度在整个磁场中为最大(磁极极柱上的磁感应强度在1.1～1.3T，在文献所提及的基本一致)，设计轴承时应把磁极极柱的磁导率设计为最大; 径向磁力轴承存在漏磁，图中有三方面的漏磁，一是向线圈中泄漏(磁场强度大约0.5～0.7T)，二是通过转子向主轴轴芯泄漏(磁场强度约在0.18T以下)，三是向空气中的漏磁(比轴芯处更小); 气隙中的磁力线最密、磁场最大; 由于磁极结构的对称性，各磁极的电磁力相等; 磁力轴承的悬浮力大小几乎处处相等; 就绕线来说，同方向绕线磁场比异方向磁场均匀的多。

　　参考文献：

　　[1].矶贝登，能动型磁气轴受の特性の应用设计[J]，机械设计，1985;29(3)：93～100

　　[2].文湘隆 胡业发 丁国平,基于ANSYS的径向磁力轴承电磁场分析[J],机械制造,44卷第504期,42-43页，2006年8月

　　[3].文湘隆 胡业发 陈龙,径向磁力轴承定子结构参数的确定[J],机械制造44卷第499期,25-27页，2006年3月

　　[4].ANSYS公司.ANSYS电磁场分析指南[M]，2002.

　　[5].SCHWEITZER G, BLEULER H, TRAXLER A.主动磁轴承基础、性能及应用[M].虞烈,袁崇军,译.北京:新时代出版杜, 1997.

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