無刷力矩電機零位設(shè)計技術(shù)研究

尹勝利，江曉波，楊光力，卓 亮

(1.貴州航天林泉電機有限公司，貴州 貴陽 550000；2.空裝駐貴陽地區(qū)第一軍事代表室，貴州 貴陽 550000；3.國家精密微特電機工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550000)

0 引言

永磁無刷力矩電機具有輸出力矩大、過載能力強、運行平穩(wěn)、伺服控制性能好的特點，廣泛應(yīng)用在機器人、機床、閥門、衛(wèi)星轉(zhuǎn)臺、雷達導(dǎo)向等需要高精度位置或角度調(diào)節(jié)的伺服系統(tǒng)中[1]。永磁無刷力矩電機的轉(zhuǎn)子磁極中心線與定子的某相磁勢中心線對齊時的位置即為無刷力矩電機零位，永磁無刷力矩電機要可靠起動，必須要精確確定其零位，從而根據(jù)零位確定反饋元件的安裝角度。理論上零位數(shù)量與其極數(shù)相同，在生產(chǎn)制造過程中，為了便于識別零位位置和安裝位置感應(yīng)元件，通常以電機定子圓周某點為基準(zhǔn)確定一個唯一的零位位置。零位可以采用測試的方法確定，但其測試難度高，測量誤差大，例如分裝式的無刷力矩電機，若采用測試法，需要制造專門的測試工裝，安裝定子和轉(zhuǎn)子，同時由于定子和轉(zhuǎn)子之間可標(biāo)記的位置空間小，難以在規(guī)定的位置精確標(biāo)記出電機的零位線。另外，電機處于通電狀態(tài)，對測試人員的安全存在一定的隱患。

在電機零位設(shè)計研究方面，張帥[2]提出利用直流通電方式尋找電機零點的方法，并給出旋變結(jié)構(gòu)的設(shè)計意見。劉紅偉等[3]探析了初始零位誤差對采用Id=0控制策略的表面正弦波永磁同步電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的影響。胡任之等[4]分析了位置傳感器零位偏差對轉(zhuǎn)矩模型的影響。張樹林等[5]提出基于電機線電感基波分量與二次諧波分量的轉(zhuǎn)子初始位置計算方法。陳程等[6]結(jié)合變頻器電壓脈沖激勵信號與開路電感值，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子初始位置的推算及在線檢測。

針對永磁無刷力矩電機零位確定多采用試驗方法的現(xiàn)狀，本文采用有限元仿真研究永磁無刷力矩電機的零位設(shè)計方法，以實現(xiàn)對永磁無刷力矩電機定子和轉(zhuǎn)子之間零位確定方法的研究，得到了基于有限元精確確定電機定子和轉(zhuǎn)子零位的方法，并通過實測驗證了該方法的有效性，本文設(shè)計方法可實現(xiàn)永磁無刷力矩電機零位的正向設(shè)計，具備一定的工程應(yīng)用價值。

1 永磁無刷力矩電機零位分析

以38極36槽的分裝式永磁無刷力矩電機為例，其定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分別如圖1和圖2所示，將定子槽進行逆時針方向編號，根據(jù)電機安裝的位置要求，電機的定子零位需要設(shè)計在1號槽和36號槽之間齒的中心線上，同樣將轉(zhuǎn)子的磁鋼按逆時針方向進行編號，N極磁鋼和S極磁鋼的位置交替分布，轉(zhuǎn)子的零位需要設(shè)計在1號磁鋼(N極)與38號磁鋼(S極)之間的磁軛中心線上。當(dāng)A相通正電，B、C相通負(fù)電時，電機的定子和轉(zhuǎn)子的零位線在水平中心線對齊。

圖1 永磁無刷力矩電機的定子結(jié)構(gòu)圖

圖2 永磁無刷力矩電機的轉(zhuǎn)子磁極關(guān)系圖

2 永磁無刷力矩電機的建模與仿真

2.1 電機的建模

以一臺38極36槽的永磁無刷力矩電機為研究對象，其主要參數(shù)見表1。

表1 永磁無刷力矩電機的主要參數(shù)

在ANSOFT Maxwell中建立永磁無刷力矩電機的二維有限元全周期分析模型如圖3所示。定子永磁繞組分別用紅色、黃色、綠色表示，轉(zhuǎn)子N極磁鋼用藍色表示，S極磁鋼用青色表示。

圖3 電機的有限元模型

永磁無刷力矩電機的仿真模型建立以后，根據(jù)無刷力矩電機零位的定義，對電機的定子永磁繞組施加直流電流激勵，A相通+5A，B相和C相通-5A，以定子的預(yù)定零位為基準(zhǔn)，仿真轉(zhuǎn)子的零位線位置，仿真流程如圖4所示，仿真定子和轉(zhuǎn)子的定位轉(zhuǎn)矩，得到其過零點的位置角度，轉(zhuǎn)子逆時針方向旋轉(zhuǎn)對應(yīng)的過零點位置角度，即獲得轉(zhuǎn)子S極和N極磁鋼的零位。

圖4 仿真分析流程

2.2 零位仿真分析

圖6中的位置為永磁無刷力矩電機定子和轉(zhuǎn)子的初始位置，設(shè)置初始位置角度為0°，轉(zhuǎn)速為1°/s，在一個周期45 s內(nèi)運行，經(jīng)過仿真得到定子和轉(zhuǎn)子的定位力矩變化曲線，如圖5所示， 可看出在一個旋轉(zhuǎn)周期范圍內(nèi)，定轉(zhuǎn)子的定位力矩兩次出現(xiàn)過零點，第一個過零點的位置角度為6.58°，第二個過零點的為16.06°，兩個過零點角度分別是S極磁鋼和N極磁鋼零位線的位置角度。

圖5 定子和轉(zhuǎn)子定位力矩變化曲線

當(dāng)轉(zhuǎn)子從初始位置逆時針轉(zhuǎn)過6.58°后，定子和轉(zhuǎn)子的位置如圖6所示，S極磁鋼在X正方向與定子預(yù)定零位線對齊，該位置點即為S極磁鋼的零位線位置。當(dāng)轉(zhuǎn)子從初始位置逆時針轉(zhuǎn)過16.06°后，定子和轉(zhuǎn)子的位置如圖7所示，N極磁鋼在X正方向與定子預(yù)定零位線對齊，該位置點即為N極磁鋼的零位線位置。38極36槽永磁無刷力矩電機共有38個零位位置，S極磁鋼和N極磁鋼的零位在圖6和圖7的位置上重復(fù)交替分布。

圖6 電機S極磁鋼零位線位置

圖7 電機N極磁鋼零位線位置

3 試驗驗證

本文以一臺38極36槽樣機進行了定子和轉(zhuǎn)子的零位測試，樣機的轉(zhuǎn)子上以刻線的方式標(biāo)記出仿真的S極磁鋼零位線和N極磁鋼零位線，定子的零位線已預(yù)先設(shè)定，通過實驗測試驗證有限元法確定永磁無刷力矩電機零位的準(zhǔn)確性和精度，從而為精確確定永磁無刷力矩電機零位提供設(shè)計依據(jù)。圖 8為樣機的定子和轉(zhuǎn)子，圖 9為樣機零位的實測位置。

圖8 試驗樣機的定子和轉(zhuǎn)子

根據(jù)零位檢測法，給樣機的A相繞組施加+5A，B相和C相連接一起施加-5A的直流電流，且使轉(zhuǎn)子S極零位線與定子零位線的夾角在一個較小角度范圍內(nèi)，此位置定義為定子和轉(zhuǎn)子的初始位置，通電后，轉(zhuǎn)子從初始位置轉(zhuǎn)過一定的角度，定子和轉(zhuǎn)子的相對位置穩(wěn)定后，觀察到轉(zhuǎn)子的S極磁鋼零位線與定子的零位線完全對齊，如圖 9所示。斷電后，重新調(diào)整初始位置，使轉(zhuǎn)子N極磁鋼零位線與定子零位線的夾角在一個較小角度范圍內(nèi)，再次通電，轉(zhuǎn)子從初始位置轉(zhuǎn)過一定的角度，定子和轉(zhuǎn)子的相對位置固定后，觀察到轉(zhuǎn)子的N極零位線與定子的零位線完全對齊。試驗結(jié)果說明，永磁無刷力矩電機通過有限元仿真方法確定的零位精度極高，完全能滿足電機可靠起動對定子和轉(zhuǎn)子零位偏差高精度的要求。

圖9 樣機S極磁鋼零位線位置

4 結(jié)論

本文針對永磁無刷力矩電機零位確定方法進行了研究，提出了基于有限元精確確定永磁無刷力矩電機零位的方法，利用ANSOFT Maxwell對電機在直流電流激勵下，定子和轉(zhuǎn)子的定位轉(zhuǎn)矩進行仿真和計算，分別得到了電機轉(zhuǎn)子N極磁鋼和S極磁鋼的零位位置，并通過研制樣機進行了試驗驗證，得到以下結(jié)論：

1)永磁無刷力矩電機的轉(zhuǎn)子零位數(shù)量與電機的極數(shù)相同，僅存在N極和S極兩種不同角度的零位，電機所有零位在定子圓周上中心對稱、交替分布；

2)本文所采用的基于有限元分析永磁無刷力矩電機零位的方法準(zhǔn)確，得到的零位角度精度高，實驗測試結(jié)果與仿真結(jié)果的符合性達到97%以上。可以將此種仿真分析方法推廣到永磁無刷力矩電機零位的設(shè)計中，對提高永磁無刷力矩電機的零位精度有較強的參考意義。