高精度轉臺永磁無刷力矩電機力矩波動分析

李碧政　張繼鵬

摘要：永磁無刷力矩電機具有低速直驅的特性，可以直接與負載相連，使得其驅動系統取消了減速結構，系統的剛性與精度均得到大幅度提高，所以永磁無刷力矩電機作為伺服電機廣泛應用于武器系統和高檔數控機床的高精度數控轉臺上。本文針對高精度轉臺用永磁無刷力矩電機，利用ANSYS仿真軟件完成了兩種電磁方案建模，計算了永磁無刷力矩電機在不同極槽配合、不同極弧系數時的電機磁場分布、空載反電勢及其諧波分解以及定位力矩，進而定量分析了兩種電機設計方案下永磁無刷力矩電機的電磁轉矩波動，從而為分析高精度數控轉臺的工作特性提供了理論依據。

Abstract： Permanent magnetic brushless torque motor （PMBTM） can be directly connected with the load due to its characteristics of low-speed and direct drive. The drive system eliminates the deceleration mechanism， which greatly improves its accuracy and rigidity. And the PMBTM is widely used in the high-precision numerical control turntable （HPNCT） of weapon system and high-precision numerical control machine tool because it can be regarded as the servo motor. The PMBTM for HPNCT is introduced in this paper， and the models with two electromagnetic design schemes are established by ANSYS software. Then the magnetic field distribution， no-load back EMF and its harmonic decomposition， and cogging torque with different pole-slot matches and pole arc coefficients are calculated. And next the electromagnetic torque ripple of PMBTM with two electromagnetic design schemes is quantitatively analyzed. The simulation results provides theoretical basis for analyzing the working characteristics of HPNCT.

關鍵詞：永磁無刷力矩電機;極槽配合;定位力矩;力矩波動

Key words： permanent magnet brushless torque motor;pole-slot match;cogging torque;torque ripple

中圖分類號：TM33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）28-0191-03

0? 引言

力矩電機最早于20世紀50年代提出，70年代美國完成了直流力矩電機的相關研究并將相關系列產品投入到市場[1]。之后隨著永磁材料的發展，特別是高性能永磁體材料釹鐵硼的出現，將永磁體材料在剩磁、磁能積和矯頑力等性能上推向了一個新的高度[2]。這對提高永磁力矩電機的轉矩密度和動態響應起到了很好的效果，促進了該電機領域的發展[3]。

近年來，永磁無刷力矩電機作為一種新型的機電一體化產品，以其低速大轉矩的優異特性得到了越來越廣泛的應用，這類電機取消了機械換向，消除了換向火花，具有結構簡單、調速性能好、環境適應性強和功率因數高等優點[4-6]。……