軸向磁化永磁微電機轉(zhuǎn)子磁場分析
楊杰偉，蘇宇鋒，劉武發(fā)，吳一輝
(1鄭州大學，河南鄭州4500Ol；2中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033)
摘要：為研究尺寸效應(yīng)對軸向磁化永磁電機性能的影響，采用有限元方法對雙轉(zhuǎn)子電機的磁場進行了仿真計算，得出了軸同磁化永磁電機轉(zhuǎn)子的氣隙磁密波形分布。分析了轉(zhuǎn)子外形尺寸、充磁極數(shù)、磁體厚度和氣隙長度對氣隙磁密的影響，即隨著氣隙長度的增加，充磁極數(shù)多的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的氣隙磁密幅值的減小幅度大于充磁極數(shù)少的；隨著磁體厚度的增加，氣隙磁密為一上升曲線，當磁體厚度達到某一點時，氣隙磁密幅值基本為一常數(shù)；減小轉(zhuǎn)子直徑時，隨著磁體厚度的降低，平均半徑處氣隙磁密幅值的減小幅度越來越不明顯，但為不使氣隙磁密波形變形嚴重，水磁轉(zhuǎn)子徑向長度需至少大于1. 5 mm。分析結(jié)果可對該類電機微小型化過程中的設(shè)計起指導(dǎo)作用。
0引 言
近年來，電子機械系統(tǒng)微小型化的發(fā)展日新月異，微電機作為微機電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在電子機械系統(tǒng)中起主要作用。微電機微小型化將引起一系列性能的相應(yīng)變化，即隨著尺寸的減小，一方面，定子線圈微小型化，使線圈制作困難且安匝數(shù)下降；另一方面，電機的轉(zhuǎn)矩、功率和效率降低。制作永磁轉(zhuǎn)子的常規(guī)方法是，將較大的燒結(jié)磁塊切割成小磁體，對小磁體逐個進行磁化，然后安裝定位于轉(zhuǎn)子鐵軛。在微電機微小型化過程中采用這種方法制作永磁轉(zhuǎn)子就很困難了，因為微電機的微小型化必然促使永磁體向微小型化方向發(fā)展，這樣不但使永磁體充磁困難，而且由于磁體是在組裝之前被磁化的，對磁體的安裝定位也很不方便。為克服傳統(tǒng)方法的弊端，采用一體化多極磁化方法，即對整塊磁體進行多極脈沖磁化，這樣轉(zhuǎn)子永磁體在一個磁化步內(nèi)即制作完成，使后續(xù)的組裝工作也比較順利。
微電機的磁性部件尺寸減小時，它所產(chǎn)生的作為機電能量轉(zhuǎn)換媒介的氣隙磁場也相應(yīng)變化。在應(yīng)用領(lǐng)域中，微電機的主要性能指標是輸出轉(zhuǎn)矩，而轉(zhuǎn)矩正比于永磁轉(zhuǎn)子在氣隙中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度，當電機尺寸改變時，加載電流后，轉(zhuǎn)矩也將隨之改變。因此轉(zhuǎn)子磁場分析對該類結(jié)構(gòu)電機的設(shè)計非常重要。軸向磁化永磁微電機定子線圈采用MEMs工藝光刻電鑄而成，為無槽結(jié)構(gòu)，直接放置在軸向氣隙中，氣隙相對普通電機較大。
1轉(zhuǎn)子磁場有限元仿真分析
1．1微電機轉(zhuǎn)子的物理模型和數(shù)學模型
軸向磁化永磁微電機采用包括若干個平面線圈的定子和軸向磁化的燒結(jié)釹鐵硼雙轉(zhuǎn)子共同組成的三明治結(jié)構(gòu)(如圖l所示)，轉(zhuǎn)子一體化多極軸向充磁，N、s交替成輻射狀均布于圓盤表面。電機中各部分磁密分布不均勻，不同半徑處的磁路長度不相同，致使其磁場計算比普通圓柱式電機復(fù)雜。為了精確計算磁場分布，利用有限元軟件ANsYs電磁模塊對平面電機進行電磁場仿真分析。
電機的空載磁場是靜磁場，用標量磁勢法進行計算。麥克斯韋方程組是電磁場有限元分析的依據(jù)和出發(fā)點，由麥克斯韋方程組可知，在穩(wěn)定磁場的無電流區(qū)域，磁場強度矢量的旋度為零，即：
引入標量磁勢作為待求量
式中：φm為標量磁勢，H為磁場強度矢量。
將式(2)代人式(1)，可導(dǎo)出標量磁勢滿足的偏微分方程，即拉普拉斯方程：
將該泛定方程與邊界條件合在一起，構(gòu)成了邊值問題，即穩(wěn)定磁場求解問題的數(shù)學模型：
式中：Ω為求解區(qū)域，Г1為Dmchlet邊界條件，Г2為Neumann邊界條件，Bn為磁通密度矢量的法向分量，μ為磁導(dǎo)率。
l 2磁場計算結(jié)果
磁場計算結(jié)果表明，氣隙磁密的分布與半徑有關(guān)(圖2為平均半徑處周向展開截面的通量線分布圖)，在某個半徑處氣隙磁密分布近似為矩形波，在平均半徑附近氣隙磁 |
