徑向正弦波永磁電機的定位力矩
崔 王月 陸永平 孫 力（哈爾濱工業(yè)大學(xué)）
楊振敏 （天津微電機公司）
【摘 要】分析正弦波永磁電機中的齒槽定位力矩，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)定位力矩與電機齒一極配合的公式，提出了削弱定位力矩的簡便而有效的措施：齒一極的合理配合和磁鋼分段結(jié)構(gòu)。試驗表明，采用該措施后，定位力矩與額定轉(zhuǎn)矩之比減小。
【敘 詞】正弦波／齒槽定位力矩永磁電機
1概述
永磁電機以其特有的優(yōu)點被廣泛用于伺服系統(tǒng)中。尤其是近年來新型材料，如稀土磁鋼被普遍采用，使永磁電機的發(fā)展跨入了嶄新的階段。但是高性能磁鋼的引入亦使永磁電機，特別是無刷電機的齒槽定位力矩在轉(zhuǎn)矩波動中所占比例日益增加。
轉(zhuǎn)矩波動是無刷電機的重要指標(biāo)，它是由電機的原理波動、齒槽定位力矩和磁滯力矩所引起的。
轉(zhuǎn)矩波動會產(chǎn)生許多不利的影響。例如，在變速傳動時，一旦定子或轉(zhuǎn)子的固有機械頻率與轉(zhuǎn)矩波動的頻率接近，則轉(zhuǎn)矩波動所產(chǎn)生的震動和噪聲將被放大和加劇；轉(zhuǎn)矩波動對于像機器人這樣的位置控制系統(tǒng)的定位精度和低速時速度控制系統(tǒng)的特性都有不利影響。
理想情況下，無刷機在采用了正弦波原理和矩形原理后，原理波動將被全部消除，此時齒槽定位力矩將成為轉(zhuǎn)矩波動的主要成分。實際上愿理波動并不能完全消除，即使這樣，當(dāng)電機工作在低轉(zhuǎn)矩和低轉(zhuǎn)速的情況下，齒槽定位力矩亦是轉(zhuǎn)矩波動的主要成分。齒槽力矩是由無刷機轉(zhuǎn)子上的永磁體與定子齒相互作用所產(chǎn)生。
齒槽力矩可通過斜槽或斜極消除[1]，但是這樣將增加電機結(jié)構(gòu)和制造的復(fù)雜性。不僅如此，這還將增加漏感和附加損耗，減小輸出轉(zhuǎn)矩，尤其每極齒數(shù)較少時更是如此。對于方波原理的無刷機，隨著斜槽或斜極距離的增加，氣隙磁密波形的平頂部分將減少，從而增加了原理性波動（見圖1）；改變極寬和旋轉(zhuǎn)磁極凹，同樣會減少氣隙磁密的平頂部分，使磁場波形不對稱許增加了工藝復(fù)雜性。
應(yīng)該指出的是文獻[l]、[2]都是在一個極內(nèi)研究如何減小齒槽力矩，因而所得到的結(jié)論是不全面的。本文則是在整個電機中研究齒槽力矩的，不僅考慮了一個磁極與定子齒間的作用，而且考慮到了各個磁極間的相互作用，因而更接近于實際，所得的結(jié)論更具有普遍性。本文認(rèn)為當(dāng)無刷機采用正弦波原理時，可以方便地經(jīng)過合理選擇定子齒數(shù)與電機極數(shù)的配合，以及采用磁鋼分段結(jié)構(gòu)，從而使得齒槽力矩大為減小，達到額定力矩的百分之零點零一。
2齒槽定位力矩的分析
齒槽力矩與氣隙磁密的波形是密切相關(guān)的，在本文中要討論的是氣隙磁密為正弦波的情況。
齒槽力矩可由計算電機中所包含的全部能量對轉(zhuǎn)子位置角的變化得出，即：
式中t——齒槽定位力矩
w——電機中的全部能量
θ——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角
d——電機直徑
y0——轉(zhuǎn)子位移
為分析方便，假設(shè)：
a.氣隙磁密b(y)為正弦函數(shù)。
b．定子為直槽結(jié)構(gòu)。
c．勿略電機端部效應(yīng)。
d．鐵心中所含能量不隨轉(zhuǎn)子位置變化。
由假定d有：
式中wc——鐵心中所含能量； wg——氣隙中所含能量
2.1數(shù)學(xué)模型1
當(dāng)電機的定子開有齒槽時，根據(jù)文獻[3]的理論，氣隙磁密的分布如圖2所示。
|
