偏心永磁同步伺服電動機優(yōu)化設(shè)計

劉細平，鄭愛華，王 晨

(江西理工大學(xué)，江西贛州341000)

0 引 言

隨著稀土永磁材料的發(fā)展，永磁同步伺服電動機較直流電動機、異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、功率密度高和效率高等優(yōu)點。矢量控制算法的成熟使永磁同步電動機具有與直流電動機同等優(yōu)越的調(diào)速性能，因此永磁同步伺服電動機正在逐步取代直流電動機、異步電動機，廣泛應(yīng)用于機床、機械設(shè)備、搬運機構(gòu)、印刷設(shè)備、裝配機器人、加工機械、高速卷繞機、紡織機械等場合，以滿足傳動領(lǐng)域的發(fā)展需求［1－3］。

輸出轉(zhuǎn)矩是衡量永磁同步伺服電動機性能的重要指標之一。輸出轉(zhuǎn)矩脈動較大，加工精度就會受影響，產(chǎn)品次品率高。本文的永磁同步伺服電動機采用偏心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，研究電機氣隙主磁通、輸出轉(zhuǎn)矩等電磁特性隨永磁體偏心距離改變時的變化規(guī)律。

1 永磁同步伺服電動機結(jié)構(gòu)及電機參數(shù)

1.1 偏心電機結(jié)構(gòu)

圖1為采用轉(zhuǎn)子偏心結(jié)構(gòu)的永磁同步伺服電動機結(jié)構(gòu)圖，電機由定子鐵心、定子繞組、永磁體、軛部開孔的轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)軸等部分組成。

圖1 電機結(jié)構(gòu)圖

圖2給出了轉(zhuǎn)子偏心結(jié)構(gòu)，其中Ro1表示以O(shè)1為圓心的半徑，Ro2表示以O(shè)2為圓心的半徑，兩圓心之間的距離hpx表示永磁體偏心距離。

圖2 轉(zhuǎn)子偏心結(jié)構(gòu)圖

1.2 電機參數(shù)

表1給出了永磁同步伺服電動機的技術(shù)指標。

表1 永磁同步伺服電動機的技術(shù)指標

表2為經(jīng)電磁設(shè)計得到的電機部分結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。

表2 電機部分結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

2 偏心電機有限元分析

2.1 電機網(wǎng)格模型及空載磁場分布

采用ANSYS軟件建立轉(zhuǎn)子偏心結(jié)構(gòu)永磁同步伺服電動機結(jié)構(gòu)模型，圖3給出了電機的有限元網(wǎng)格分析模型。經(jīng)加邊界條件迭代計算分析后可得電機空載磁通分布圖，如圖4所示。圖5給出了永磁同步伺服電動機空載磁力線分布圖。

2.2 偏心距離變化時的永磁體模型

本文建立永磁體偏心距離分別為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm時的電機有限元分析模型，上述分析模型中永磁體的最大厚度均相同。圖6給出了永磁體偏心距離分別0和25 mm時的永磁體結(jié)構(gòu)模型。當偏心距離為0時，在任何轉(zhuǎn)子位置下的永磁體厚度均相等;當偏心距離為25 mm時，隨著轉(zhuǎn)子位置角的變化，永磁體厚度成正弦函數(shù)規(guī)律變化，相應(yīng)的電機氣隙長度隨轉(zhuǎn)子位置角也呈正弦函數(shù)規(guī)律變化;且隨著偏心距離的增大，正弦度越高。

圖7所示為偏心距離分別為0和25mm時的電機氣隙模型。

2.3 空載時永磁體和氣隙磁力線分布

經(jīng)有限元分析計算，圖8給出了在上述偏心距離分別為0和25 mm時的永磁體磁力線空載分布圖。由圖可知，當偏心距離為零時，永磁體上磁力線分布較為均勻;而當偏心距離為25 mm時，永磁體中部磁力線分布較密，兩端磁力線分布較為稀疏;偏心距離越大時，變化越明顯。

圖9給出了在上述偏心距離分別為0和25 mm時的電機氣隙中磁力線分布圖。

3 偏心距離變化對電機電磁特性的影響

永磁體偏心距離變化時，電磁特性相應(yīng)會發(fā)生變化，下面分別給出了電機氣隙主磁通、空載相反電勢、輸出轉(zhuǎn)矩隨偏心距離變化的情況，為確定合適的永磁體偏心距離提供了一定的依據(jù)。

3.1 氣隙主磁通

圖10為氣隙主磁通隨永磁體偏心距離變化的曲線。當偏心距離較小時，氣隙主磁通波形接近三角波;當偏心距離較大時，氣隙主磁通波形接近正弦波。分析表明，永磁體采用適當?shù)钠木嚯x，可使電機氣隙主磁通波形成正弦函數(shù)規(guī)律變化。

圖10 氣隙主磁通隨偏心距離變化對比曲線

3.2 空載相反電勢

在永磁同步伺服電動機設(shè)計中，定子繞組采用雙層短距分布式繞組，每槽導(dǎo)體數(shù)為10，并聯(lián)支路數(shù)為1，每根導(dǎo)體由6根直徑為1.0 mm的漆包線并繞而成。圖11為電機空載相反電勢隨永磁體偏心距離變化時的對比曲線。當偏心距離較小時，空載相反電勢為一梯形波，隨著偏心距離的增大，波形趨向于正弦函數(shù)變化規(guī)律。

圖11 空載相反電勢隨偏心距離變化對比曲線

3.3 輸出轉(zhuǎn)矩

永磁同步伺服電動機的輸出轉(zhuǎn)矩是衡量電機性能優(yōu)劣的重要指標之一。在保證電機一定輸出轉(zhuǎn)矩的前提下，減小輸出轉(zhuǎn)矩脈動是提高電機輸出性能的重要途徑。本文研究了當轉(zhuǎn)子偏心距離變化時，電機輸出轉(zhuǎn)矩變化情況，如圖12所示。從圖12可知，當偏心距離較小時，電機輸出轉(zhuǎn)矩較大，當轉(zhuǎn)矩脈動也相應(yīng)較大;當偏心距離較大時，電機輸出轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)后脈動明顯減小，電機運行平穩(wěn)

圖12 電機輸出轉(zhuǎn)矩隨偏心距離變化對比曲線

4 結(jié) 語

本文通過采用有限方法分析，研究了轉(zhuǎn)子永磁體采用偏心結(jié)構(gòu)對永磁同步伺服電動機性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，通過采用適當?shù)挠来牌木嚯x，可使電機氣隙主磁通、空載相電勢呈正弦函數(shù)規(guī)律變化，有效地減小永磁同步伺服電動機轉(zhuǎn)矩脈動，提高電機輸出性能。

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