具有IES场分析程序的高速磁阻机

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
In the context of the author’s professional experience in the field of flywheel energy storage systems during his research activity, at the ETH Zurich, the focus was on compact high-speed flywheel systems for day storage of solar photovoltaic energy in the order of 0.5 to 5 KWh usable energy storage. Important constraints for energy day store are extremely low losses per day e.g. – 1% per hour. This means, that the idling losses have to be less than 5 W and 50 W for a 0.5 kWh and a 5 kWh unit respectively. Minimising the idling losses requires not only operation in a vacuum environment but in addition also: Low bearing losses (à Magnetic Bearings) , Low Eddy Current losses (à Reluctance Machine) and Low Drag Losses (Cylindrical Rotor Surface).

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所示的无源磁轴承（双环对）。选择的1选自两个环对，在径向和轴向上具有排斥磁化。

图。1无源磁性轴承双环对NE 45，径向（x，y）方向和轴向（z）中的排斥磁化。电机轴与Z坐标一致。

图2使用参数的5.0mm

对于电动机轴的水平取向，已经使用电动机的参数求解器模式计算，其用于轴向转子位移DZ，如图2所示。在轴向中心位置（＃12）中，径向力F（Y）是正提供补偿转子重量的恢复力。中心位置（＃11）附近的轴向力F（Z）为零，而DZ = - 0.5mm点（＃10）F（z）= -39.4（n）表示轴向不稳定性，其必须机械地限制in both directions e.g. with a flat precision ground steel disk inserted at the end of the rotating axis against a small stationary steel sphere on both ends. Therefore the actual mechanical bearing losses depend on a low axial destabilisation force Fz obtained by (1) manually adjusting the axial air gap and (2) the optimum material choice (e.g. high grade ceramics) for both the disk and the sphere.

或者，可以使用轴向主动磁轴承需要低功率进行稳定（Ref：Jan Fremerey）。径向恢复力FY为-0.5 mm的径向位移是19.4牛顿（＃11）。对于1kg的转子质量（9.81（n）），径向恢复力降低到9.7牛顿，如图3所示。如果需要更高的径向恢复力，则可以改变环的几何形状或环对的数量。

图3在轴承（＃11）的轴向中心位置中的径向恢复力FY = 19.4（n）。转子重量为1 kg（10n）将径向恢复力降低到Fy = 9.7（n），这对于良好的平衡转子充分而充分。

磁阻电动机

由于固有的低涡流损耗以及永磁体和转子线圈的不存在，已经制造了磁阻电动机的选择。定子，转子和线圈的几何形状已经相互作用地成功地建模使用磁电磁和安培。已经用磁力屈服扭矩值计算扭矩，转子长度为1000mm。对于转子长度为15mm，扭矩值归一化为15/1000。扭矩也可以使用需要更多计算时间的安培计算。然而，在任何一个程序获得的结果都是可比的限制。

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具有在-30°位置中的转子所示的磁阻电动机的磁场线，其具有用磁电磁的最大不稳定，仅在一个线圈对中的电流流动。

转子和定子具有不等数的显着极，如图4所示。通过减少磁力磁阻的物理现象产生扭矩。当一个定子线圈对通电时，如图5所示产生转子扭矩。最近的转子杆从非基准位置（例如-30°）朝向对准位置（0°）拉动。当三个定子线圈对连接到3相变频电流源时，转子遵循旋转场。The phenomena of magnetic reluctance can be visualized by pictorially replacing the field lines (Fig.5) with rubber bands, which exert a maximum restoring torque (i.e. maximum reluctance) on the rotor in the non aligned position (e.g. - 30 deg) and a zero torque in the center position (i.e. minimum reluctance)

图6A在转子旋转180度（＃1至＃90）上，有两个负扭矩范围（发电机模式）和用于4个凸极转子的两个正扭矩范围（电动机模式）。

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)。

圆柱形转子表面
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与其4个扇形部分和转子安装盘的突出转子的3D几何形状已经用安培3D产生

转子几何形状在2D中具有磁电磁体，如图7A所示。添加轴和转子安装螺钉的孔。接下来，2D转子元件装载有AMPEES 3D。使用四个扇形部分，两个安装盘，转子轴的轮毂和安装孔的所有转子部件的体积，然后使用安培的“扫描模式”，如图2所示。7B。此外，“对象模式”允许磁阻电动机的总爆炸视图。无磁阻电机的模型如图8所示。当磁阻电机的所有组件已经完成了安培完成时，所有数据都被转移为图纸，并作为“步骤模式”文件到机床工作店图。图9示出了完成的磁阻电动机。

定子和磁性轴承的所有支撑结构都是以交互方式使用磁电和安培设计的。使用安培的“对象模式”，已经促进了系统组件的组装。此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视图。特别是，如有必要，可以单独挑出各个系统组件。

图8了具有2个无源磁性轴承的磁阻电磁模型，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。

磁轴承上方的光电传感器（图9）必须添加以在运行期间测量RPM，因为然后没有电信号信号。仅0.7mm的径向气隙需要优异的动态转子平衡和轴向转子位置的微调。在未来几个月计划计划第一次测试运行。

确认
作者感谢IES与更新版本的安培和迈尔加的持续支持。与磁石和安培合作是有益的。程序的命令被构造成以增加轻松和速度的速度和速度产生不同系统组件的几何形状，反映了磁电器和安培的专业工程逻辑。真正享受发现IES电磁节目的所有潜在设计特征。

苏黎世，2018年4月9日|汉斯博士K. Asper