偏心永磁同步伺服电动机优化设计

2012-02-22刘细平郑爱华

微特电机 2012年10期

刘细平，郑爱华，王晨

(江西理工大学，江西赣州341000)

0 引言

随着稀土永磁材料的发展，永磁同步伺服电动机较直流电动机、异步电动机具有结构简单、功率密度高和效率高等优点。矢量控制算法的成熟使永磁同步电动机具有与直流电动机同等优越的调速性能，因此永磁同步伺服电动机正在逐步取代直流电动机、异步电动机，广泛应用于机床、机械设备、搬运机构、印刷设备、装配机器人、加工机械、高速卷绕机、纺织机械等场合，以满足传动领域的发展需求［1－3］。

输出转矩是衡量永磁同步伺服电动机性能的重要指标之一。输出转矩脉动较大，加工精度就会受影响，产品次品率高。本文的永磁同步伺服电动机采用偏心转子结构，研究电机气隙主磁通、输出转矩等电磁特性随永磁体偏心距离改变时的变化规律。

1 永磁同步伺服电动机结构及电机参数

1.1 偏心电机结构

图1为采用转子偏心结构的永磁同步伺服电动机结构图，电机由定子铁心、定子绕组、永磁体、轭部开孔的转子铁心和转轴等部分组成。

图1 电机结构图

图2给出了转子偏心结构，其中Ro1表示以O1为圆心的半径，Ro2表示以O2为圆心的半径，两圆心之间的距离hpx表示永磁体偏心距离。

图2 转子偏心结构图

1.2 电机参数

表1给出了永磁同步伺服电动机的技术指标。

表1 永磁同步伺服电动机的技术指标

表2为经电磁设计得到的电机部分结构尺寸参数。

表2 电机部分结构尺寸参数

2 偏心电机有限元分析

2.1 电机网格模型及空载磁场分布

采用ANSYS软件建立转子偏心结构永磁同步伺服电动机结构模型，图3给出了电机的有限元网格分析模型。经加边界条件迭代计算分析后可得电机空载磁通分布图，如图4所示。图5给出了永磁同步伺服电动机空载磁力线分布图。

2.2 偏心距离变化时的永磁体模型

本文建立永磁体偏心距离分别为5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm时的电机有限元分析模型，上述分析模型中永磁体的最大厚度均相同。图6给出了永磁体偏心距离分别0和25 mm时的永磁体结构模型。当偏心距离为0时，在任何转子位置下的永磁体厚度均相等;当偏心距离为25 mm时，随着转子位置角的变化，永磁体厚度成正弦函数规律变化，相应的电机气隙长度随转子位置角也呈正弦函数规律变化;且随着偏心距离的增大，正弦度越高。

图7所示为偏心距离分别为0和25mm时的电机气隙模型。

2.3 空载时永磁体和气隙磁力线分布

经有限元分析计算，图8给出了在上述偏心距离分别为0和25 mm时的永磁体磁力线空载分布图。由图可知，当偏心距离为零时，永磁体上磁力线分布较为均匀;而当偏心距离为25 mm时，永磁体中部磁力线分布较密，两端磁力线分布较为稀疏;偏心距离越大时，变化越明显。

图9给出了在上述偏心距离分别为0和25 mm时的电机气隙中磁力线分布图。

3 偏心距离变化对电机电磁特性的影响

永磁体偏心距离变化时，电磁特性相应会发生变化，下面分别给出了电机气隙主磁通、空载相反电势、输出转矩随偏心距离变化的情况，为确定合适的永磁体偏心距离提供了一定的依据。

3.1 气隙主磁通

图10为气隙主磁通随永磁体偏心距离变化的曲线。当偏心距离较小时，气隙主磁通波形接近三角波;当偏心距离较大时，气隙主磁通波形接近正弦波。分析表明，永磁体采用适当的偏心距离，可使电机气隙主磁通波形成正弦函数规律变化。

图10 气隙主磁通随偏心距离变化对比曲线

3.2 空载相反电势

在永磁同步伺服电动机设计中，定子绕组采用双层短距分布式绕组，每槽导体数为10，并联支路数为1，每根导体由6根直径为1.0 mm的漆包线并绕而成。图11为电机空载相反电势随永磁体偏心距离变化时的对比曲线。当偏心距离较小时，空载相反电势为一梯形波，随着偏心距离的增大，波形趋向于正弦函数变化规律。

图11 空载相反电势随偏心距离变化对比曲线

3.3 输出转矩

永磁同步伺服电动机的输出转矩是衡量电机性能优劣的重要指标之一。在保证电机一定输出转矩的前提下，减小输出转矩脉动是提高电机输出性能的重要途径。本文研究了当转子偏心距离变化时，电机输出转矩变化情况，如图12所示。从图12可知，当偏心距离较小时，电机输出转矩较大，当转矩脉动也相应较大;当偏心距离较大时，电机输出转矩减小，转后脉动明显减小，电机运行平稳