鐵氧體永磁輔助式磁阻伺服電機齒槽轉矩研究

李新華,張家思,劉進超

(湖北工業大學,武漢430068)

0 引 言

鐵氧體永磁輔助式同步磁阻電動機分為異步起動和同步起動兩種,可應用于恒速和變速場合,在工業、交通等領域有廣泛的應用空間[1-4]。近年來,人們也在研究鐵氧體永磁輔助式同步磁阻伺服電機[5-6](以下簡稱鐵氧體伺服電機)。與目前廣泛使用的釹鐵硼永磁同步伺服電機(以下簡稱釹鐵硼伺服電機)相比,鐵氧體伺服電機有很多優點,特別是永磁材料成本較低;另一方面,傳統永磁伺服電機大多采用分布繞組,從降低人工下線成本的角度考慮,現在人們越來越多地關注集中繞組永磁伺服電機[7-8]。如果將集中繞組應用于鐵氧體伺服電機,可以進一步降低制造成本,提升產品競爭力。

伺服電機齒槽轉矩是人們比較關注的一個問題,它直接影響伺服系統的控制精度。齒槽轉矩是永磁電機由于齒槽對應氣隙磁導的變化所產生的轉矩。與釹鐵硼伺服電機一般用表貼式轉子不同,鐵氧體伺服電機則為內置式、多層轉子結構,且采用磁性能相對較弱的鐵氧體永磁材料,這些變化都會對電機齒槽轉矩產生影響。

本文使用計算機仿真方法研究分布繞組和集中繞組鐵氧體伺服電機的齒槽轉矩以及降低鐵氧體伺服電機齒槽轉矩的措施,并與表貼式釹鐵硼伺服電機的齒槽轉矩進行比較分析。

1 分布繞組鐵氧體伺服電機

釹鐵硼伺服電機極數有6,8,10極等,而鐵氧體伺服電機的極數不能太多。這是因為極數越多,鐵氧體伺服電機的轉子結構越復雜,轉子沖片模具及裝配成本就越高,一般用4,6極比較合適。與釹鐵硼伺服電機一樣,鐵氧體伺服電機也用分數槽繞組降低齒槽轉矩。下面比較4,6極分數槽繞組鐵氧體伺服電機的齒槽轉矩。圖1給出了1.5 kW,二種極槽配合鐵氧體伺服電機的仿真模型,轉子都采用內置三層“U”字形布局。圖2為其齒槽轉矩仿真結果。

圖1 4,6極鐵氧體伺服電機的仿真模型

圖2 6極/27槽,4極/18槽電機齒槽轉矩

由圖2可見,6極/27槽鐵氧體伺服電機齒槽轉矩的峰峰值(以下省去峰峰值)為72 mN·m,4極18槽電機的齒槽轉矩為40 N·m。兩電機每極每相槽數q=1.5,但4極鐵氧體伺服電機的齒槽轉矩反而比6極的小,因此,從減小鐵氧體伺服電機齒槽轉矩和簡化轉子結構的角度來看,選用4極是合適的。

相同極數條件下極槽配合的選擇對鐵氧體伺服電機齒槽轉矩影響很大。圖3是4極/21槽與4極/18槽鐵氧體伺服電機齒槽轉矩的仿真結果。4極/21槽鐵氧體伺服電機齒槽轉矩為24 mN·m,4極18槽電機齒槽轉矩為40 mN·m。同為4極電機,但q不同,前者為1.75,后者為1.5,q值大的4極/21槽鐵氧體伺服電機齒槽轉矩更小,可見,4極/21槽是分布繞組鐵氧體伺服電機比較好的一個極槽配合。

圖3 4極/21槽,4極/18槽電機齒槽轉矩

圖4是鐵氧體伺服電機轉子一個極下不同內置槽布局示意圖。仿真結果表明,兩種轉子的齒槽轉矩相差不大,大約為25 mN·m,但寬“一”字形轉子電機的轉矩脈動率為5.04%,窄“一”字形轉子電機的轉矩脈動率為2.43%,減小了一半多,如圖5所示。這是由于兩種轉子的氣隙磁密畸變率不同,前者為39%,后者為32%,如圖6所示。故窄“一”字形轉子鐵氧體伺服電機反電動勢和電樞電流波形更好,脈動轉矩較低。

圖4 一個極下不同內置槽布局示意圖

圖5 兩種轉子電機的電磁轉矩仿真

圖6 兩種轉子電機氣隙磁密的傅里葉分析

此外,采用定子斜槽和定子鐵心開輔助槽都可以降低分布繞組永磁輔助伺服電機的齒槽轉矩。

2 集中繞組鐵氧體伺服電機

傳統永磁伺服電機大多用分布繞組。分布繞組電機需要人工下線,生產效率較低,制造成本增加,而且分布繞組端部較長,增加了銅線的材料成本。集中繞組伺服電機可以實現自動繞線,降低制造成本。

與分布繞組鐵氧體伺服電機一樣,集中繞組鐵氧體伺服電機一般用4,6極比較合適。圖7給出了750 W,極槽配合分別為6極/9槽和4極/6槽鐵氧體伺服電機的仿真模型,轉子都采用內置三層“U”字形布局。圖8為其齒槽轉矩的仿真結果。

圖8 6極/9槽,4極/6槽電機齒槽轉矩

由圖8可見,6極/9槽,4極/6槽鐵氧體伺服電機齒槽轉矩分別為79 mN·m和36 mN·m。兩電機q=0.5,但4極鐵氧體伺服電機的齒槽轉矩反而比6極的小了一半,因此,從減小鐵氧體伺服電機齒槽轉矩和簡化轉子結構的角度來看,選用4極是合理的。

與分布繞組鐵氧體伺服電機一樣,相同極數條件下集中繞組鐵氧體伺服電機極槽配合的選擇對齒槽轉矩影響較大。圖9是4極/6槽與4極/9槽鐵氧體伺服電機齒槽轉矩的仿真結果。4極/6槽鐵氧體伺服電機齒槽轉矩為36 mN·m,4極/9槽電機齒槽轉矩為28 mN·m。同為4極電機,但q不同,前者為0.5,后者為0.75,q值大的4極/9槽鐵氧體伺服電機齒槽轉矩更小?？梢?4極/9槽是鐵氧體伺服電機比較好的一個極槽配合。

圖9 4極/9槽,4極/6槽電機齒槽轉矩

集中繞組鐵氧體伺服電機定子繞組可用機器繞線,因此減小定子槽開口,甚至可以用閉口槽來降低齒槽轉矩。圖10是定子開口槽(開口寬度1 mm)和閉口槽時電機齒槽轉矩的仿真結果,開口槽鐵氧體伺服電機齒槽轉矩為28 mN·m,閉口槽電機齒槽轉矩為9 mN·m,齒槽轉矩下降了2/3,效果十分明顯。

圖10 開口槽和閉口槽電機的齒槽轉矩

對4極/9槽鐵氧體伺服電機定子開輔助槽如圖11所示,齒槽轉矩的仿真結果如圖12所示。無輔助槽電機齒槽轉矩為9 mN·m,開1個輔助槽的齒槽轉矩為16 mN·m,開2個輔助槽的齒槽轉矩為24 mN·m,比無輔助槽電機齒槽轉矩有明顯增加?？梢?集中繞組鐵氧體伺服電機定子不適合用開輔助槽的方法來降低齒槽轉矩;與此相反,分布繞組鐵氧體伺服電機定子開輔助槽則可以降低齒槽轉矩(仿真分析略)。

圖11 定子開輔助槽

圖12 定子開輔助槽時的齒槽轉矩

3 與釹鐵硼伺服電機的比較

釹鐵硼伺服電機定子多用分布繞組,轉子為表貼式磁鋼。圖13為1.5 kW,4極/21槽和750 W,4極/9槽釹鐵硼伺服電機的仿真模型,前者為分布繞組,后者為集中繞組。為了便于比較,釹鐵硼和鐵氧體伺服電機的規格數據和主要尺寸相同。圖14給出了4極/21槽,4極/9槽釹鐵硼和鐵氧體伺服電機齒槽轉矩的仿真結果。

圖13 釹鐵硼伺服電機仿真模型

圖14 伺服電機齒槽轉矩仿真結果

4極/21槽釹鐵硼伺服電機齒槽轉矩為41 mN·m,相同極槽配合鐵氧體伺服電機齒槽轉矩為24 mN·m;4極/9槽釹鐵硼伺服電機齒槽轉矩為16 mN·m,相同極槽配合鐵氧體伺服電機齒槽轉矩為9 mN·m?？梢?無論是分布繞組還是集中繞組,鐵氧體伺服電機的齒槽轉矩都要比釹鐵硼伺服電機的齒槽轉矩有所降低。

表1給出了4極/21槽,4極/9槽鐵氧體和釹鐵硼伺服電機齒槽轉矩、氣隙磁場畸變率和電磁轉矩脈動率的仿真分析結果。結果表明,盡管鐵氧體伺服電機的齒槽轉矩比釹鐵硼伺服電機的齒槽轉矩低,但鐵氧體伺服電機電磁轉矩脈動率比釹鐵硼伺服電機的略有增加,其原因是釹鐵硼伺服電機氣隙磁場畸變率不到鐵氧體伺服電機的一半,反電動勢和電樞電流波形的正弦性更好一些。

表1 鐵氧體和釹鐵硼伺服電機仿真結果比較

為了進一步降低鐵氧體伺服電機的轉矩脈動率,可以優化電機的轉子多層磁鋼槽布局,提高氣隙磁場的正弦性;同時采用定子斜槽,或轉子斜極的辦法來滿足伺服系統的性能要求。

需要說明的是,本文電磁轉矩仿真在電機中通入的是正弦電流,而電機實際通入的是含有諧波的非正弦電流,因此,仿真所得的轉矩脈動率會比實際的小。

4 結 語

仿真結果及分析表明,選擇合理的極槽配合和轉子布局,分布繞組和集中繞組鐵氧體伺服電機的齒槽轉矩都會比表貼式釹鐵硼伺服電機有所降低;如果進一步優化轉子多層磁鋼槽結構,提高電機氣隙磁場的正弦性,鐵氧體伺服電機的轉矩脈動率可以達到釹鐵硼伺服電機的水平。

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