有限單元法在徑向磁力軸承設計中的應用

劉曾琳 張 黎

（1.九江學院機械與材料工程學院 江西九江 332005 2.中國十五冶金建設集團有限公司 湖北黃石 435000）

有限單元法在徑向磁力軸承設計中的應用

劉曾琳1張 黎2

（1.九江學院機械與材料工程學院 江西九江 332005 2.中國十五冶金建設集團有限公司 湖北黃石 435000）

闡述了磁力軸承傳統設計的局限性，并介紹了有限單元法的基本概念及內容。以某一參數的徑向磁力軸承設計為例，利用有限元軟件ANSYS進行建模、劃分網格、加載及后處理，總結出了有限元分析技術在磁力軸承設計中的一般步驟。

徑向磁力軸承；有限單元法；ANSYS模型

1 引言

磁力軸承的設計方法和傳統的軸承設計方法有很大的不同。首先磁力軸承是機電一體化的產品，而傳統的球軸承，推力軸承，則不需要考慮相應的控制及算法。其次，現在的磁力軸承尚處于不成熟階段，沒有像傳統的軸承那樣得到標準化。磁力軸承的傳統設計通常要經過多次整機試驗來驗證選擇試驗方案，設計過程中存在著很大的盲目性和局限性，不僅設計周期長，耗資大，而且很難得到理想的方案。[1]

隨著現代科學技術的發展，社會的不斷進步，人們對磁力軸承的研究愈來愈烈，而且對磁力軸承的穩定性，質量，性能，耐久性，可靠性，經濟性等提出了更高的要求。很顯然，在這里通過之前的傳統設計已經不能滿足相應的要求，有限單元法的使用則大大降低了設計周期，縮減了設計成本，充分發揮了磁力軸承的高性能。

2 有限單元法的基本概念和基本內容

有限元分析技術是最重要的工程分析之一，是20世紀60年代發展起來的新的數值計算方法，是計算機時代的產物．隨著計算機技術的發展，有限元法在各個工程領域中不斷得到深入的應用。[2]

有限元法的基本思想是將結構離散化，用有限個容易分析的單元來表示，單元之間通過有限個節點相互連接，然后根據變形協調條件綜合求解。由于單元的數目是有限的，節點的數目也是有限的，所以稱為有限元法。這種方法靈活性很大，只要改變單元的數目，就可使解的精確度改變，得到與真實情況無限接近的解。它不僅能用于工程中復雜的非線性問題、非穩態問題的求解，而且還可用于工程設計中進行復雜結構的靜態和動力分析。[3]有限元方法現已發展成為一種十分有效的結構分析手段。目前國外已研制了許多成熟的大型有限元分析軟件，如SAP、ADINA、ANSYS、I-deas等。這些軟件使用極其方便，不需要對有限元法進行很深人的了解，便可應用這些軟件求解實際工程問題。

有限元分析技術在磁力軸承設計中的應用，克服了傳統經驗式設計的局限性，縮短設計周期，增強產品的市場競爭能力。

3 基于有限單元法的磁力軸承設計

這里我們以一個風機為例，具體說明有限單元法在磁力軸承設計中的應用。風機是依靠輸入的機械能，提高氣體壓力并排送氣體的機械，它是一種從動的流體機械。風機對軸承的要求較高，如果使用常規的普通軸承考慮到風沙，雨水等的影響，對風機的工作將起到十分不利的作用，所以這里有必要采用磁力軸承來對風機的支撐特性進行優化。

設轉子和定子之間能夠保持相對穩定的間隙，且工作氣隙為0.5mm，通過有限單元法來計算磁力軸承能夠承受的最大的徑向和軸向力。

3.1 徑向磁力軸承設計參數

預設參數：軸及軸上零件總的質量72kg，工作氣隙0.5mm，填充系數（槽滿率）0.6，電流密度8A/mm2，考慮到安裝問題，確定定子內徑50mm，最大徑向載荷1136.53N，取1.6的安全系數，及徑向力為1888.8N。這里我們取E型磁力軸承，大磁極匝數為80匝，小磁極40匝，最大偏置電流為8A。

3.2 對模型進行有限元分析

下面對磁力軸承在工程應用中的應用進行有限元分析，通過對模型計算及分析進行驗證。

（1）模型建立：在ANSYS中直接建立二維模型，對模型進行布爾運算，得到所需的裝配體結構。

（2）劃分網格，加載：賦予材料屬性，網格劃分，以及加載求解。采用直接分網的方法對模型進行多次比較，模型的網格大小設置為1，對結果進行綜合分析，對比，得到最好的解決方案。在這里我們加載的是環形跑道，依據環形電流的加載條件以及要求進行加載。

（3）后處理：將得到ansys的計算結果和實際要求對比，分析磁感線的分布，磁感應強度以及磁力軸承所能承受的最大力，通過分析磁力密度矢量來分析計算結果。分析磁飽和現象，以及氣隙間的磁感應強度，對模型進行反復的修改，設計，分析，最后得到徑向磁力軸承能夠提供最大徑向力為1800N，和所設計的要求1888.8N相比結果非常接近。

4 結束語

有限單元法是科學理論為指導，以社會和人的需求為目的，以計算機技術為設計手段，它是在傳統的設計方法上發展起來的一種新型的分析理論及方法。有限單元法用于指導工程實踐，不僅可以優化產品的綜合性能，對于提高產品的質量和可靠性，降低生產成品，縮短開發周期，提高產品競爭力和生產企業的綜合經濟效益有很大的指導意義。有限單元法在磁力軸承設計中，應用潛力巨大，具有很寬闊的發展前景。

[1]胡業發，周祖德，江征風.磁力軸承的基礎理論與應用[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]杜平安.有限元網格劃分的基本原則[J].機械設計與制造，2000，25（1）：34～36.

[3]曾攀.有限元分析基礎教程[M].北京：清華大學出版社，2010.

TP333

A

1004-7344（2016）29-0291-01

2016-9-22

劉曾琳（1995-），男，漢族，研究方向為機械制造及其自動化。張黎（1976-），男，漢族，工程師，研究方向為機電一體化技術。