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5.3 基于有限元法的电磁场分析

第3章所述的等效磁路法和第2.3节的解析方法为磁悬浮轴承的初始电磁设计提供了快速有效的途径。然而，这些方法基于一系列简化假设（如忽略漏磁、边缘效应、材料非线性饱和、铁芯磁阻等），在评估复杂拓扑（如多极、永磁偏置、异形磁极）、计算精确电磁参数（如电感、力-电流/位移特性、损耗分布）以及分析非线性与耦合效应时，其精度和可靠性不足。基于有限元法（Finite Element Method, FEM）的电磁场数值分析，通过将连续的电磁场域离散化为大量单元并求解麦克斯韦方程组，能够高精度地模拟实际磁场分布，是验证和优化初始电磁设计、预测性能指标不可或缺的关键环节。本节将系统阐述应用ANSYS Maxwell、JMAG等商业软件对磁轴承进行三维静磁场与瞬态磁场仿真的完整流程、核心设置及后处理方法。

5.3.1 有限元法在磁轴承分析中的必要性与优势

相较于解析法和磁路法，有限元电磁场分析具有不可替代的优势：

1. 处理复杂几何与拓扑：能够精确模拟任意形状的磁极、不均匀气隙、复杂永磁体阵列以及多层叠片结构，真实反映几何细节对磁场的影响。
2. 计及材料非线性：可以定义铁磁材料（如硅钢片）的非线性B-H曲线，准确模拟磁场饱和效应。饱和会导致磁导率下降，等效磁阻急剧增加，使电磁力偏离基于线性假设的解析计算值，有限元法可以精确捕捉这一非线性行为[1]。
3. 计算全域场分布与局部效应：不仅能给出气隙主磁通，还能直观显示漏磁路径、局部磁密饱和点（“热点”）以及边缘磁场分布，为结构优化（如降低局部饱和、减少漏磁）提供直接依据。
4. 精确计算电磁参数：可直接基于场解，采用第2.3节所述的麦克斯韦应力张量法或虚功法，计算任意位置和姿态下的电磁力与力矩，精度远高于解析公式。同时，可以精确计算线圈的电感矩阵（自感与互感），这对分析磁耦合和控制器设计至关重要。
5. 多物理场耦合分析基础：电磁场有限元解是进行后续铁损计算、涡流损耗分析、热分析以及结构变形耦合分析的基础。

5.3.2 三维静磁场仿真：设计与参数验证

静磁场仿真假设电流和磁场不随时间变化，适用于计算偏置状态下的磁场分布、静态电磁力、电感和电磁力系数（kik_iki​,ksk_sks​）。

1. 仿真流程与关键设置

• 几何建模与简化：建立包括定子铁芯、线圈、永磁体（如适用）、转子（或推力盘）及周围空气域在内的完整三维模型。为减少计算量，可根据对称性建立部分模型（如1/4、1/8模型），但需注意磁极数和边界条件的正确设置。空气域需足够大以模拟磁场自然衰减，通常向外延伸模型最大尺寸的2-3倍。
• 材料属性定义：
  • 铁磁材料：必须输入真实的非线性B-H曲线。对于叠片铁芯，通常需在软件中设置叠压方向和叠压系数（Lamination Factor）。
  • 永磁体：需定义其退磁曲线（通常用剩磁BrB_rBr​和矫顽力HcH_cH