永磁同步電主軸齒槽轉(zhuǎn)矩削弱研究*

于智澤，于慎波，夏鵬澎，翟鳳晨，竇汝桐

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

0 引言

永磁同步電主軸具有響應(yīng)速度快、加工精度高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用在高速精密數(shù)控機(jī)床中[1]，是我國(guó)制造業(yè)必不可少的核心裝備。齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，進(jìn)而影響機(jī)床加工精度和運(yùn)行平穩(wěn)性。齒槽轉(zhuǎn)矩是高精度電主軸最需要考慮的問(wèn)題之一[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外降低齒槽轉(zhuǎn)矩的方法主要從定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、磁極結(jié)構(gòu)和控制方式3個(gè)方面進(jìn)行研究。降低齒槽轉(zhuǎn)矩的方法有：轉(zhuǎn)子分段斜極[3]、定子開(kāi)輔助槽[4]、定子齒根削角[5]、永磁體分段[6]、永磁體開(kāi)槽[7]及永磁體削角[8]等。

如今，越來(lái)越多學(xué)者將電機(jī)優(yōu)化目標(biāo)與各種群智能優(yōu)化算法相結(jié)合，優(yōu)化電機(jī)最優(yōu)性能。舒鑫東等[9]利用遺傳算法對(duì)一臺(tái)永磁電主軸的永磁體的厚度等參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化，結(jié)果顯著削弱了齒槽轉(zhuǎn)矩。

本文利用等效面電流法對(duì)含有定子槽口且永磁體削角的電主軸空載氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行建模，利用麻雀搜索法優(yōu)化出最佳削角寬度和削角弧度。通過(guò)與有限元仿真對(duì)照分析，驗(yàn)證了含有定子槽口且永磁體削角的電主軸空載氣隙磁場(chǎng)有效性，同時(shí)也顯著降低了永磁同步電主軸的齒槽轉(zhuǎn)矩。

1 齒槽轉(zhuǎn)矩解析分析

根據(jù)文獻(xiàn)[10]可知，齒槽轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：

(1)

式中，W為磁場(chǎng)能量；α為定轉(zhuǎn)子位置角。

磁場(chǎng)能量可近似為氣隙和永磁體中的能量，表示為：

(2)

(3)

式中，La為電樞鐵心長(zhǎng)度；R1為電樞外半徑；R2為定子內(nèi)徑。

從式(3)可以看出齒槽轉(zhuǎn)矩與Brn、Gn、電樞槽數(shù)等參數(shù)有關(guān)。……