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T形轉子無刷伺服電動機磁場的諧波分析

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:2855

 摘要:以36槽8極面裝式無刷伺服電動機為例,采用Maxwel2D有限元分析軟件和MATLAB數學分析軟件,分析了T形轉子主要參數以及磁鋼對諧波磁場的影響,為高速無刷伺服電動機T形轉子的優化設計奠定了基礎。

0引  言

   近年來,永磁無刷伺服電動機(亦稱永磁同步電動機,以下簡稱無刷伺服電動機)發展非常迅速。特別是無刷伺服電動機的轉速越來越高,一般高達數千r/min,甚至超過l0000 r/min對于高速無刷伺服電動機來說,面臨著轉子磁鋼固定上的困難。盡管內置式無刷伺服電動機轉子磁鋼易于固定,但轉子結構及裝配工藝比較復雜,現在還是以面裝式

(即轉子表面粘貼磁鋼)無刷伺服電動機的應用居多。對于面裝式高速無刷伺服電動機轉子磁鋼的固定來說,目前一般采用無緯玻璃絲帶綁扎,這種工藝比較費工時,且受氣隙空間的限制。

   新型T形結構轉子可以很好地解決面裝式高速無刷伺服電動機轉子磁鋼的固定問題。這種轉子在相鄰磁鋼之間增加一個T形結構.其作用在于:一是用于磁鋼的安裝同定;二是它可以產生凸極效應,提高電機功率密度,實現弱磁控制,擴大電機的調速范圍;三是合理的磁鋼和T形結構設計,可以有效地削弱諧波磁場,使電機氣隙磁密更接近正弦波。

本文以36槽/8極麗裝式無刷伺服電動機為例,使用工程上廣泛應用的Maxwell 2D有限元分析軟件和MATLAB數學分析軟件,分析了T形轉子主要參數以及磁鋼對諧波磁場的影響,為高速無刷伺服電動機T形轉子的優化設計奠定了基礎。

l    T形轉子磁鋼對諧波磁場的影響

   目前,高性能伺服無刷電動機大都采用釹鐵硼磁鋼,面裝式轉子通常選用等厚或等徑的瓦形磁鋼,圖l、圖2分別為等厚和等徑兩種磁鋼的T形結構轉子示意圖。本文分析示例所用的磁鋼材料型號為38SH釹鐵硼,定轉子鐵心由冷軋硅鋼片制造,并假定電機空載。

                       

圖l等厚磁鋼電機的T形轉子              圖2等徑磁鋼電機的T形轉子

圖3、圖4分別為等厚和等徑兩種磁鋼無刷伺服電動機的磁場分布圖。

                    

   圖3等厚磁鋼電機的磁場分布              圖4等徑磁鋼電機的磁場分布

圖5、圖6分別為一對極下等厚和等徑兩種磁鋼無刷伺服電動機的氣隙磁密波形圖。

                    

圖5等厚磁鋼電機的氣隙磁密波形         圖6等徑磁鋼電機的氣隙磁密波形

圖7、圖8分別為等厚和等徑兩種磁鋼無刷伺服電動機氣隙磁密的諧波分析圖。

                  

圖7等厚磁鋼電機的氣隙磁密的諧波分析     圖8等徑磁鋼電機的氣隙磁密的諧波分析

   由圖5~圖8可見,采用等厚磁鋼電機的空載氣隙磁密波形接近梯形波,主要諧波成分為3、5次,其中B次諧波幅值約為基波幅值的1/4;等徑磁鋼產生的空載氣隙磁密接近正弦波,主要諧波成分為3、5、7次,其中3次諧波較小,5、7次諧波幅值約為基波幅值的1/10。

  圖9、圖10分別為無T形結構轉子,即圓柱形轉子采用等徑磁鋼時的氣隙磁密波形圖和諧波分析圖。

                

   圖9等徑磁鋼電機的氣隙磁密波形          圖10等徑磁鋼電機的氣隙磁密諧波分析

上圖表明,電機空載氣隙磁密波形接近梯形波,主要諧波成分為3次諧波,其幅值接近基波幅值的1/5??梢?,轉子增加了T形結構之后,由于極間漏磁的緣故,氣隙磁密的諧波分布得以改變,3次諧波被明顯削弱,電機空載氣隙磁密波形更接近正弦波。

2 T形結構對諧波磁場的影響

下面進一步分析采用等徑磁鋼時T形結構主要尺寸,即T形結構的弧角φ、底寬b(如圖11所示)以及氣隙δ大小對空載氣隙磁密諧波幅值的影響。以下分析中磁鋼偏心距均為a=3 mm(如圖12所示)。

                              

圖11 T形結構有關尺寸                   圖12等徑磁鋼的偏心距

2.1φ角對諧波磁場的影響

 當T形結構底寬6=2 mm、δ=1.5 mm時,φ角大小與各次諧波幅值關系如圖13所示。當φ<25°時,各次諧波幅值都較??;特別是當15°<φ<20°,各次諧波幅值更??;但當φ>25°,各次諧波幅值開始增大,3次諧波更是急劇上升??梢?,設計φ角應避免大于25°,一般宜在15°一20°。

2.2  底寬6對諧波磁場的影響

 當T形結構弧角φ=18°、δ=1.5 mm時,底寬b與各次諧波幅值關系如圖14所示。當T形結構底寬b<2mm時,此處磁路發生嚴重的飽和,各次諧波幅值都較小,與圓柱形轉子情況相似;當2 mm<b<3.4mm時,各次諧波幅值也不大,且基本不變;當6>3 .4mm時,3次諧波幅值急劇上升,此時極間漏磁明顯增大,氣隙磁密波形發生畸變。因此,在保證機械強度的前提下,底寬b在2~3.4 mm比較合適。

                    

   圖13諧波幅值與φ角關系曲線             圖14諧波幅值與b的關系曲線

2 .3氣隙δ對諧波磁場的影響

 當弧角φ:18°、底寬6:2 nlm時,氣隙δ大小與各次諧波幅值關系如圖15所示。圖中,3次諧波值的大小與氣隙長度呈線性關系,且隨著氣隙增大而減??;除3、5次諧波幅值的變化較為明顯外,其它各次諧波幅值均無明顯變化,而且幅值都比較小,對氣隙磁密波形影響不大。顯然,增大電機氣隙對削弱諧波磁場,特別是3次諧波磁場有利,但這會加大磁鋼的用量,提高電機成本,因此,氣隙也不宜設計過大。

當a=3 mm、δ=1.5 mm、9=18°、b=2 mm時氣隙磁密諧波分布圖如圖16所示。此時各次諧波基本為零,電機氣隙磁密接近理想的正弦波,這是一組比較好的設計數據。需要指出的是,上面是僅從磁場分析角度得出的結果,設計上還要綜合考慮機械強度和凸極效應等方面的要求。

                      

圖15一諧波幅值與氣隙δ角關系曲線              圖16空載氣隙磁密的諧波分析

3  結語

 高速無刷伺服電動機的T形結構轉子不僅能很好地解決磁鋼吲定問題,更重要的是可以通過優化磁鋼和T形結構設計來削弱氣隙諧波磁場;與等厚磁鋼相比,在T形結構中選用等徑磁鋼,氣隙磁密更接近正弦波,且磁鋼加工成本相對較低,因此具有很好的應用前景。

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