有限單元法在徑向磁力軸承設(shè)計中的應(yīng)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(shè)集團有限公司 湖北黃石 435000）

有限單元法在徑向磁力軸承設(shè)計中的應(yīng)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(shè)集團有限公司 湖北黃石 435000）

闡述了磁力軸承傳統(tǒng)設(shè)計的局限性，并介紹了有限單元法的基本概念及內(nèi)容。以某一參數(shù)的徑向磁力軸承設(shè)計為例，利用有限元軟件ANSYS進行建模、劃分網(wǎng)格、加載及后處理，總結(jié)出了有限元分析技術(shù)在磁力軸承設(shè)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(shè)計方法和傳統(tǒng)的軸承設(shè)計方法有很大的不同。首先磁力軸承是機電一體化的產(chǎn)品，而傳統(tǒng)的球軸承，推力軸承，則不需要考慮相應(yīng)的控制及算法。其次，現(xiàn)在的磁力軸承尚處于不成熟階段，沒有像傳統(tǒng)的軸承那樣得到標準化。磁力軸承的傳統(tǒng)設(shè)計通常要經(jīng)過多次整機試驗來驗證選擇試驗方案，設(shè)計過程中存在著很大的盲目性和局限性，不僅設(shè)計周期長，耗資大，而且很難得到理想的方案。[1]

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)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(wěn)定性，質(zhì)量，性能，耐久性，可靠性，經(jīng)濟性等提出了更高的要求。很顯然，在這里通過之前的傳統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)不能滿足相應(yīng)的要求，有限單元法的使用則大大降低了設(shè)計周期，縮減了設(shè)計成本，充分發(fā)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(nèi)容

有限元分析技術(shù)是最重要的工程分析之一，是20世紀60年代發(fā)展起來的新的數(shù)值計算方法，是計算機時代的產(chǎn)物．隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，有限元法在各個工程領(lǐng)域中不斷得到深入的應(yīng)用。[2]

有限元法的基本思想是將結(jié)構(gòu)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(jié)點相互連接，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合求解。由于單元的數(shù)目是有限的，節(jié)點的數(shù)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(shù)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(fù)雜的非線性問題、非穩(wěn)態(tài)問題的求解，而且還可用于工程設(shè)計中進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動力分析。[3]有限元方法現(xiàn)已發(fā)展成為一種十分有效的結(jié)構(gòu)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(yīng)用這些軟件求解實際工程問題。

有限元分析技術(shù)在磁力軸承設(shè)計中的應(yīng)用，克服了傳統(tǒng)經(jīng)驗式設(shè)計的局限性，縮短設(shè)計周期，增強產(chǎn)品的市場競爭能力。

3 基于有限單元法的磁力軸承設(shè)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(shè)計中的應(yīng)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(guī)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(yōu)化。

設(shè)轉(zhuǎn)子和定子之間能夠保持相對穩(wěn)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(shè)計參數(shù)

預(yù)設(shè)參數(shù)：軸及軸上零件總的質(zhì)量72kg，工作氣隙0.5mm，填充系數(shù)（槽滿率）0.6，電流密度8A/mm2，考慮到安裝問題，確定定子內(nèi)徑50mm，最大徑向載荷1136.53N，取1.6的安全系數(shù)，及徑向力為1888.8N。這里我們?nèi)型磁力軸承，大磁極匝數(shù)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(yīng)用中的應(yīng)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(jié)構(gòu)。

（2）劃分網(wǎng)格，加載：賦予材料屬性，網(wǎng)格劃分，以及加載求解。采用直接分網(wǎng)的方法對模型進行多次比較，模型的網(wǎng)格大小設(shè)置為1，對結(jié)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(huán)形跑道，依據(jù)環(huán)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(jié)果和實際要求對比，分析磁感線的分布，磁感應(yīng)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(jié)果。分析磁飽和現(xiàn)象，以及氣隙間的磁感應(yīng)強度，對模型進行反復(fù)的修改，設(shè)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(shè)計的要求1888.8N相比結(jié)果非常接近。

4 結(jié)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(shù)為設(shè)計手段，它是在傳統(tǒng)的設(shè)計方法上發(fā)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(yōu)化產(chǎn)品的綜合性能，對于提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，降低生產(chǎn)成品，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品競爭力和生產(chǎn)企業(yè)的綜合經(jīng)濟效益有很大的指導意義。有限單元法在磁力軸承設(shè)計中，應(yīng)用潛力巨大，具有很寬闊的發(fā)展前景。

[1]胡業(yè)發(fā)，周祖德，江征風.磁力軸承的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

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

[3]曾攀.有限元分析基礎(chǔ)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(shù)。