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永磁同步电机齿槽转矩的分析
发布时间: 2016-09-12     文章来源:www.jchmotor.com     作者江晟电机

永磁同步电机(PMSM)结构简单、体积小、重量轻,十分适宜应用在机器人上。但是机器人伺服系统的永磁电机需要有非常好的控制性能,对电磁转矩波动有很高的要求。减小电机的齿槽转矩是减小电磁转矩波动的主要的途径。本文对机器人用永磁同步电机齿槽转矩的性能要求进行了分析,根据电机的特点和生产工艺,提出了实用、便捷的齿槽转矩优化方案。并使用有限元分析软件Maxwell进行了仿真。仿真结果表明,通过合理的槽极配合和采用不等厚永磁体的方法可以有效地减小电机的齿槽转矩,同时还能不过多地增加工艺的难度和制造成本。

一、齿槽转矩的削弱

齿槽转矩是由永磁电机的特殊结构引起的,是江晟电机固有的,无法完全消除,只能最大程度地削弱。齿槽转矩表现为电机的永磁体和相对的齿槽结构间相互作用的切向力。这种力会引起永磁体和齿槽保持对齐的趋势,即使电机不通电这个力也不会消失。这是因为在电机的转子转动时,电枢齿周围的磁场基本不变,而永磁体两侧相对的电枢齿所在的一小段区域内,磁导发生了较大的变化,从而引起了能量的变化,进而就产生了齿槽转矩。当电枢绕组不通电时,电机的磁场能量为:

Tcog=aW/aα

为了便于分析,作以下假设:电机电枢铁心的磁导为无穷大;同一电机中的永磁体形状和尺寸相同、性能相同、均勻分布;永磁体材料的磁导率与空气相同;铁心的叠压系数为

1.江晟电机厂总结削弱齿槽转矩的方法有以下几种:

 

(1)永磁电机采用定子斜槽结构,即电枢倾斜的槽数Ks为1/n的整数倍时就可以消除齿槽转矩中的第m次谐波,这样就可以起到减小电机齿槽转矩的效果。但电机的斜槽会增加制造工艺的复杂性,加大电机的制造成本。

 

(2)改变电枢的槽口,即选择合理的槽口θs(即两个相邻齿的距离)大小就可以改变Gn的值。这样会引起气隙磁导的变化,从而使齿槽转矩也发生变化。改变槽口的大小可以有效削弱齿槽转矩,但同时也会增加制造工艺的复杂性。

 

(3)设计时选择合理的电枢槽数和极数可以改变影响齿槽转矩的Br²(θ)和Gn,从而改变气隙磁密沿永磁电机电枢表面的分布周期,进而削弱齿槽转矩。它不会增加电机的复杂性和制造工艺的难度,应作为优先考虑的方法。

 

(4)采用不等厚的永磁体(不同于常规的电机永磁体都是内、外径同心且厚度均勻),这种不等厚的瓦片形的永磁体,其磁化方向长度会沿圆周方向不均勻地减小Br,以达到削弱齿槽转矩的目的。这样在电机设之初就选定合适的永磁体形状,不会增加江晟电机生产工艺的难度和复杂性,能够有效地削弱电机的齿槽转矩。

 

二、Maxwell仿真
 

以机器人用永磁同步电机为例,从减小电机制造的复杂性和生产工艺的难度及降低电机成本的角度出发,采用合理的槽极配合和选取不等厚永磁体的方法来削弱电机的齿槽转矩。表1为永磁同步电机的主要指标和参数。

 

表1:主要指标和参数

额定功率/kW 2.1 定子内径/mm 81
额定电压/V 220 定子外径/mm 123
效率 91% 额定转矩/Nm 5
转子内径/mm 31 磁钢类型 表贴
转子外径/mm 78 磁钢厚度/mm 3.6

三、结论

 

提出了一种永磁电机设计中削弱齿槽转矩的实用方法。利用常用的槽极配合的经验,并考虑槽极配合对电机其它性能的影响,选出相对合适的槽极配合。然后根据理论分析和实验仿真选出最合适的槽极配合。同时通过合理使用不等厚永磁体来减小电机的齿槽转矩。以一款机器人用永磁同步电机为例,将其电机的齿槽转矩减小到了0.013Nm。实验表明采用上述方法对减小电机的齿槽转矩效果是十分理想的。该设计方法已经应用在某机器人用永磁同步电机的开发中。

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