用ies -场分析程序设计的高速磁阻电机

汉斯·阿斯珀医生的事
汉斯·k·阿斯珀博士在瑞士苏黎世出生和长大。他获得了ETH(瑞士联邦理工学院苏黎世分校)的电气工程文凭。在瑞士工业公司工作了两年之后，汉斯·阿斯珀于1956年移民美国，在加州帕洛阿尔托的惠普公司的微波仪器部门工作。1961年，他转学到斯坦福大学射电天文学研究所。回到瑞士后，他于1965年开始在ETH攻读博士学位(1971年)，随后他成立了ETH射电天文学研究小组，开发了一台计算机控制的太阳射电望远镜。1980年，汉斯·阿斯珀离开射电天文学领域，开始了ETH能源存储研究小组，致力于高速、纤维复合飞轮系统的开发。自1988年以来，他成功地利用现场分析程序开发了新型高速电机。1992年7月，Hans Asper开始了他自己的工程和咨询办公室，从事高速电机、磁轴承和电磁场分析领域的活动。

介绍
基于作者在飞轮储能系统领域的专业经验，在苏黎世联邦理工学院的研究重点是小型高速飞轮系统，用于太阳能光伏能源的日存储，可用能量存储在0.5 - 5kwh之间。能量日存储的重要约束条件是每天极低的损耗，例如每小时1%。这意味着，0.5 kWh和5 kWh机组的空转损耗必须分别小于5w和50w。最大限度地减少空转损失不仅需要在真空环境中运行，而且还需要:低轴承损失(à磁轴承)，低涡流损失(à磁阻机)和低阻力损失(圆柱形转子表面)。

最重要的设计工具是IES*现场分析程序MAGNETO 2D和AMPERES 3D，这使得磁轴承和磁阻电机的建模成为可能。这些IES程序的特别特点是非常容易的几何建模和MAGNETO 2D和AMPERES 3D的交互使用，以创建几何模型和定子线圈中的电流。利用参数求解模式，得到了轴向转子位置相对于磁轴承的力值和转子角相对于转子角的转矩值。
*集成工程软件，温尼伯，Mb，加拿大

磁轴承
如图1所示，所选被动磁轴承（双环对）由两个环对组成，在径向和轴向上均具有排斥磁化。

图1被动磁轴承双环对Ne 45，径向（x，y）方向和轴向（z）的排斥磁化。电机轴与z坐标重合。

图2采用AMPERES参数求解模式，对dy = - 0.5 mm径向转子位移和轴向转子位移在- 5.0 mm < dz < + 5.0 mm范围内的双对被动磁轴承的恢复力(图1)进行了分析

对于电机轴的水平方向，用AMPERES参数求解模式计算了轴向转子位移dz在-5.0 mm和+ 5.0 mm之间的力，如图2所示。在轴向中心位置(#12)径向力F(y)是正的提供一个恢复力补偿转子重量。轴向力F (z)附近的中心位置(# 11)是零在dz = - 0.5毫米点(# 10)F (z) = - 39.4 (N)表明轴向不稳定,需要在机械在两个方向如平精度地面钢磁盘插入在旋转轴的结束对两端固定钢球体。因此，实际的机械轴承损失取决于通过(1)手动调整轴向气隙和(2)圆盘和球体的最佳材料选择(例如高级陶瓷)获得的低轴向不稳定力Fz。

或者，轴向主动磁轴承可以使用，需要低功率的稳定(参考:Jan Fremerey)。径向位移-0.5 mm的径向恢复力Fy为19.4牛顿(#11)。对于1 kg (9.81 (N))的转子质量，径向恢复力减小到9.7牛顿，如图3所示。如果需要更高的径向恢复力，可以改变环的几何形状或环对的数量。

图3轴承（11）轴向中心位置的径向恢复力Fy=19.4（N）。1 kg（10 N）的转子重量将径向恢复力降低至Fy=9.7（N），这足以使转子达到良好平衡。

磁阻电动机

选择磁阻电机是由于其固有的低涡流损耗和没有永磁体和转子线圈。利用MAGNETO和AMPERES的交互作用，成功地模拟了定子、转子和线圈的几何形状。用MAGNETO屈服转矩值计算了转子长度为1000mm时的转矩。对于一个转子长度为15毫米的扭矩值归一化系数为15/1000。也可以用需要更多计算时间的安培来计算扭矩。然而，两种方案的结果都在可比较的范围内。

图4用MAGNETO设计的磁阻电机的转子和定子都有凸极。一个优选的选择是4转子极和6定子极与三定子线圈对。

图5磁阻电机的磁力线显示转子在-30°的位置与最大的磁阻获得与电流在一个线圈对只。

转子和定子具有数量不等的凸极，如图4所示。转矩是通过减小磁阻的物理现象产生的。当一对定子线圈通电时，产生转子扭矩，如图5所示。将最近的转子磁极从非对齐位置（例如-30度）拉向对齐位置（0度）。当三个定子线圈对连接到三相变频电流源时，转子跟随旋转磁场。磁阻现象可以通过用橡皮筋替换磁力线（图5）来可视化，橡皮筋在未对准位置（例如-30度）的转子上施加最大恢复扭矩（即最大磁阻），在中心位置施加零扭矩（即最小磁阻）

图6a转子旋转180度（#1至#90）时，4凸极转子有两个负扭矩范围（发电机模式）和两个正扭矩范围（电机模式）。

图6b在正转矩范围(# 1到#31，磁阻减小(电机模式)，而在负转矩范围(#31到#61)，磁阻增加(发电机模式)。

圆柱转子表面
必须特别注意使图7a和图7b所示的具有四个显著磁极的转子的阻力损失最小。为了获得光滑的圆柱形转子表面，4个扇形元件被集成到凸转子中。五个转子元件可以固定与两个支持盘和12个螺钉进入一个紧凑的圆柱形转子与圆柱形表面。然而，为了保持转子的径向应力在其设计范围内，在圆柱形表面添加了几层碳丝(径向0.3 mm)，将实际气隙减少到0.7 mm，这仍然在磁轴承的径向操作范围内。

图7a采用MAGNETO 2D设计了凸转子及其4个扇形部分和转子安装盘的2D几何形状

图7b利用AMPERES 3D生成了凸极转子及其4个扇形部分和转子安装盘的三维几何形状

如图7a所示，转子几何结构已在2D中与磁电机进行了比较。增加了轴孔和转子安装螺钉孔。接下来，用AMPEES 3D加载2D转子元件。然后使用安培的“扫描模式”生成具有四个扇形截面、两个安装盘、转子轴轮毂和安装孔的所有转子零件的体积，如图7b所示。此外，“对象模式”允许磁阻电机的整体或部分分解图。磁阻电机的模型如图8所示。当磁阻电机的所有部件都以安培完成时，所有数据都以图纸和“步进模式”文件的形式传输到机器车间。图9显示了完成的磁阻电机。

定子和磁性轴承的所有支撑结构均采用磁电机和安培交互设计。使用安培的“对象模式”极大地简化了系统组件的组装。该模式允许许多有用的选项，例如显示所有电机和磁性轴承部件或电机部件的分解图。特别是，如有必要，可以单独选择和修改各个系统组件。

图8磁阻电机磁模型，带有2个被动磁轴承、3个线圈对、2个定子支撑结构和转子。

图9在苏黎世联邦理工学院机械车间完成的磁阻电机。

必须在磁性轴承（图9）上方添加一个光电传感器，以测量减速期间的转速，因为此时没有电定子信号可用。径向气隙仅为0.7 mm，需要良好的转子动态平衡和轴向转子位置的微调。计划在未来几个月内进行首次试运行。

确认
作者非常感谢IES对AMPERES和MAGNETO更新版本的持续支持。与MAGNETO和AMPERES一起工作是值得的。程序的命令结构是为了生成不同系统组件的几何形状，越来越容易和速度，反映了MAGNETO和AMPERES的专业工程逻辑。很高兴能发现IES电磁程序的所有潜在设计特征。

苏黎世，2018年4月9日| Hans K.Asper博士