摘 要 磁路饱和对磁悬浮感应电机悬浮力的大小和稳定性具有较大影响。本文先从数学上分析了磁路饱和对悬浮力的影响，并通过Ansys Maxwell电磁场有限元仿真软件建立了磁悬浮感应电机模型，并对其磁路饱和时的转矩和悬浮力情况进行了仿真，得出了悬浮力受磁路饱和的影响关系，为磁悬浮感应电机的优化设计提供了参考。
关键词 磁悬浮感应电机；悬浮力；磁路饱和
中图分类号：TM351 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）24-0045-02
电机作为科技发展和社会进步的重要设备，越来越广泛的应用到各个工业部门，与此同时也对电机的性能提出了更高的要求。磁悬浮电机作为一种新型电机，具有无润滑、寿命长、无摩擦、无机械噪声等优点[1]，能很好的应用到高速、超高速电机的设计中去。
磁悬浮电机定子绕组分为两种绕组：转矩绕组和悬浮绕组，转矩绕组同普通的轴承电机定子绕组一样，为感应电机的运行提供转矩；悬浮绕组是磁悬浮电机所特有的绕组，往悬浮绕组中通入一定大小、频率、相位的悬浮电流能将转子稳定的悬浮起来[2]。在以往对磁悬浮感应电机的研究中，往往都忽略了磁路饱和的影响，为了研究磁路饱和对磁悬浮感应电机磁悬浮力的影响，本文先在理论上进行了分析，然后运用了Ansys Maxwell电磁场有限元仿真软件搭建了一个磁悬浮电机模型，并对其通入不同大小的转矩电流和悬浮电流，比较磁路饱和和忽略饱和时的悬浮力的情况，得出了相关结论，为磁悬浮电机的设计提供一定参考。
1 理论分析
根据文献[3]，作用在转子表面面积元上的麦克斯韦力大小为：
根据电机磁路结构和磁场的基尔霍夫定理[4]：
是气隙的磁场强度相量，是气隙的宽度，、分别是定子和转子上的磁压降相量。
向定子中的两套绕组输入三相交流电流，磁路饱和时，由于定转子铁芯磁导率变小，对比忽略饱和情况，定子磁势不变，而转子上的磁压降由于磁阻变大而变大，根据（1）和（2）得出磁路饱和时产生的悬浮力大小平均值比忽略饱和的情况下要小。同时由于输入的是三相交流电流，磁路不饱和时，电机转子表面的是同电流变化规律一样的正弦规律进行脉振的[5]，磁路饱和导致各个点上的的变化波形发生畸变，进而导致悬浮力的不稳定。
2 模型建立
本文用Ansys maxwell有限元仿真软件来仿真磁路饱和时磁悬浮感应电机悬浮力的情况。
根据文献[6]为了能产生一个可控的麦克斯韦力，实现转子的稳定悬浮，必须满足以下条件：
1）（是转矩绕组极对数；是悬浮绕组极对数）；
2）两套绕组产生的磁场旋转方向一致，转速一样。
这里考虑转矩绕组为2对极，悬浮绕组为1对极的情况。建立一个36槽定子的磁悬浮电机模型，如图1，定子中每个槽的外圈为悬浮绕组，内圈为转矩绕组。选用的定子和转子铁芯材料为M19_24G，其磁化曲线为图2。
磁化曲线可看出B超过1T后磁路开始趋向饱和，磁化曲线的膝部就在1T附近。
3 仿真
为了分析磁路饱和对转矩和悬浮力的影响，给模型通入50HZ工频的正弦三相交流电流，电流有效值不断加大，仿真电机从不饱和到饱和的情况，给电机通入的3次电流如下：
第1次：转矩绕组电流有效值为3A，悬浮绕组电流有效值为2A；
第2次：转矩绕组电流有效值为6A，悬浮绕组电流有效值为4A；
第3次：转矩绕组电流有效值为12A，悬浮绕组电流有效值为8A。
通过Maxwell软件计算出的结果为：第1次磁路基本没饱和，第2次磁路有一半区域在B=1T附近，开始饱和，第3次磁路有一半区域在B=1.2T附近，饱和程度较大。
3次悬浮力的变化图如下。
为了使仿真结果具有可比性，引入忽略饱和时并且假设磁场强度和磁感应强度成正比时的悬浮力的估计值。
4 结论
对比磁路完全不饱和时的情况，在膝部附近可以用较小的电流获得最大的悬浮力，但是稳定性欠佳，而磁路饱和后悬浮力比忽略饱和的情况要小，且稳定性很差。
对于普通电机，为了获得最佳的转矩，往往让其工作在磁化曲线的膝部附近。但是对于磁悬浮电机为了保证悬浮力的稳定，不能简单的像设计普通电机一样，让电机工作在磁化曲线的膝部附近。实际运行时，要根据电机结构和转矩电流、悬浮电流的大小以及对悬浮力稳定性的要求合理设置电机在磁化曲线上的工作点。
参考文献
[1]张汉年，刘合祥.无轴承电机研究回顾、应用现状与技术基础[J].微电机，2010，43（7）：81-84.
[2]王晓琳，邓智泉，张宏荃，等.无轴承异步电机研究与实现[J].航空学报，2003，24（3）：259-262.
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[4]汤蕴缪.电机内的电磁场[M].北京：科学出版社，1999：1-321.
[5]阎治安，崔新艺，苏少平.电机学（第二版）[M].西安：西安交通大学出版社，2008：1-334.
[6]M.Ooshima，A.Chiba，T.Fukao.Characteristics of a Permanent Magnet Type Bearingless Motor[J].IEEE Tram.Indus.Application，1996，32（2）：363-370.