劉細(xì)平，鄭愛(ài)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(dòng)機(jī)較直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率密度高和效率高等優(yōu)點(diǎn)。矢量控制算法的成熟使永磁同步電動(dòng)機(jī)具有與直流電動(dòng)機(jī)同等優(yōu)越的調(diào)速性能，因此永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)正在逐步取代直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)，廣泛應(yīng)用于機(jī)床、機(jī)械設(shè)備、搬運(yùn)機(jī)構(gòu)、印刷設(shè)備、裝配機(jī)器人、加工機(jī)械、高速卷繞機(jī)、紡織機(jī)械等場(chǎng)合，以滿足傳動(dòng)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(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)之一。輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，加工精度就會(huì)受影響，產(chǎn)品次品率高。本文的永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)采用偏心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，研究電機(jī)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(shí)的變化規(guī)律。

1 永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及電機(jī)參數(shù)

1.1 偏心電機(jī)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖，電機(jī)由定子鐵心、定子繞組、永磁體、軛部開(kāi)孔的轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)軸等部分組成。

圖1 電機(jī)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(jī)參數(shù)

表1給出了永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的技術(shù)指標(biāo)。

表1 永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的技術(shù)指標(biāo)

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

表2 電機(jī)部分結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

2 偏心電機(jī)有限元分析

2.1 電機(jī)網(wǎng)格模型及空載磁場(chǎng)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)模型，圖3給出了電機(jī)的有限元網(wǎng)格分析模型。經(jīng)加邊界條件迭代計(jì)算分析后可得電機(jī)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(dòng)機(jī)空載磁力線分布圖。

2.2 偏心距離變化時(shí)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(shí)的電機(jī)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(shí)的永磁體結(jié)構(gòu)模型。當(dāng)偏心距離為0時(shí)，在任何轉(zhuǎn)子位置下的永磁體厚度均相等;當(dāng)偏心距離為25 mm時(shí)，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(jī)氣隙長(zhǎng)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(shí)的電機(jī)氣隙模型。

2.3 空載時(shí)永磁體和氣隙磁力線分布

經(jīng)有限元分析計(jì)算，圖8給出了在上述偏心距離分別為0和25 mm時(shí)的永磁體磁力線空載分布圖。由圖可知，當(dāng)偏心距離為零時(shí)，永磁體上磁力線分布較為均勻;而當(dāng)偏心距離為25 mm時(shí)，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(shí)，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(shí)的電機(jī)氣隙中磁力線分布圖。

3 偏心距離變化對(duì)電機(jī)電磁特性的影響

永磁體偏心距離變化時(shí)，電磁特性相應(yīng)會(huì)發(fā)生變化，下面分別給出了電機(jī)氣隙主磁通、空載相反電勢(shì)、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(dāng)偏心距離較小時(shí)，氣隙主磁通波形接近三角波;當(dāng)偏心距離較大時(shí)，氣隙主磁通波形接近正弦波。分析表明，永磁體采用適當(dāng)?shù)钠木嚯x，可使電機(jī)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(duì)比曲線

3.2 空載相反電勢(shì)

在永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)空載相反電勢(shì)隨永磁體偏心距離變化時(shí)的對(duì)比曲線。當(dāng)偏心距離較小時(shí)，空載相反電勢(shì)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(shì)隨偏心距離變化對(duì)比曲線

3.3 輸出轉(zhuǎn)矩

永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩是衡量電機(jī)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。在保證電機(jī)一定輸出轉(zhuǎn)矩的前提下，減小輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是提高電機(jī)輸出性能的重要途徑。本文研究了當(dāng)轉(zhuǎn)子偏心距離變化時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩變化情況，如圖12所示。從圖12可知，當(dāng)偏心距離較小時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩較大，當(dāng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也相應(yīng)較大;當(dāng)偏心距離較大時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)后脈動(dòng)明顯減小，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)

圖12 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨偏心距離變化對(duì)比曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)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(duì)永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，通過(guò)采用適當(dāng)?shù)挠来牌木嚯x，可使電機(jī)氣隙主磁通、空載相電勢(shì)呈正弦函數(shù)規(guī)律變化，有效地減小永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高電機(jī)輸出性能。

［1］ 杜貴明，龐麗芹.電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展前景［J］.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2010(9):17.

［2］ 李士林.永磁同步電機(jī)－電梯曳引主機(jī)發(fā)展方向［J］.電梯工業(yè)，2006(4):2－3.

［3］ 梁廣民.電梯技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)［J］.電梯工業(yè)，2006(1):8－9.

［4］ 繆學(xué)進(jìn)，李永東，肖曦，等.永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)及其在電梯中的應(yīng)用［J］.電力電子技術(shù)，2006，40(6):19 －21.

［5］ 何罡，黃大為，黎堅(jiān)，等.無(wú)齒輪電梯專用永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.電力電子技術(shù)，200，37(2):1－3.

［6］ 張式勤，鄭爾璽.Ansys在電梯用變頻調(diào)速永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.電機(jī)技術(shù)，2003，(3):10 －13.

［7］ 劉沖.電梯用分段永磁直線同步電機(jī)設(shè)計(jì)及有限元分析［D］.太原:太原理工大學(xué)，2009.