李新華,張家思,劉進(jìn)超

(湖北工業(yè)大學(xué),武漢430068)

0 引 言

鐵氧體永磁輔助式同步磁阻電動(dòng)機(jī)分為異步起動(dòng)和同步起動(dòng)兩種,可應(yīng)用于恒速和變速場(chǎng)合,在工業(yè)、交通等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用空間[1-4]。近年來(lái),人們也在研究鐵氧體永磁輔助式同步磁阻伺服電機(jī)[5-6](以下簡(jiǎn)稱(chēng)鐵氧體伺服電機(jī))。與目前廣泛使用的釹鐵硼永磁同步伺服電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)釹鐵硼伺服電機(jī))相比,鐵氧體伺服電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn),特別是永磁材料成本較低;另一方面,傳統(tǒng)永磁伺服電機(jī)大多采用分布繞組,從降低人工下線(xiàn)成本的角度考慮,現(xiàn)在人們?cè)絹?lái)越多地關(guān)注集中繞組永磁伺服電機(jī)[7-8]。如果將集中繞組應(yīng)用于鐵氧體伺服電機(jī),可以進(jìn)一步降低制造成本,提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

伺服電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩是人們比較關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題,它直接影響伺服系統(tǒng)的控制精度。齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)由于齒槽對(duì)應(yīng)氣隙磁導(dǎo)的變化所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。與釹鐵硼伺服電機(jī)一般用表貼式轉(zhuǎn)子不同,鐵氧體伺服電機(jī)則為內(nèi)置式、多層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),且采用磁性能相對(duì)較弱的鐵氧體永磁材料,這些變化都會(huì)對(duì)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響。

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

1 分布繞組鐵氧體伺服電機(jī)

釹鐵硼伺服電機(jī)極數(shù)有6,8,10極等,而鐵氧體伺服電機(jī)的極數(shù)不能太多。這是因?yàn)闃O數(shù)越多,鐵氧體伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,轉(zhuǎn)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(jī)一樣,鐵氧體伺服電機(jī)也用分?jǐn)?shù)槽繞組降低齒槽轉(zhuǎn)矩。下面比較4,6極分?jǐn)?shù)槽繞組鐵氧體伺服電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩。圖1給出了1.5 kW,二種極槽配合鐵氧體伺服電機(jī)的仿真模型,轉(zhuǎn)子都采用內(nèi)置三層“U”字形布局。圖2為其齒槽轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果。

圖1 4,6極鐵氧體伺服電機(jī)的仿真模型

圖2 6極/27槽,4極/18槽電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩

由圖2可見(jiàn),6極/27槽鐵氧體伺服電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的峰峰值(以下省去峰峰值)為72 mN·m,4極18槽電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩為40 N·m。兩電機(jī)每極每相槽數(shù)q=1.5,但4極鐵氧體伺服電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩反而比6極的小,因此,從減小鐵氧體伺服電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩和簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看,選用4極是合適的。

相同極數(shù)條件下極槽配合的選擇對(duì)鐵氧體伺服電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩影響很大。圖3是4極/21槽與4極/18槽鐵氧體伺服電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果。4極/21槽鐵氧體伺服電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩為24 mN·m,4極18槽電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩為40 mN·m。同為4極電機(jī),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(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩更小,可見(jiàn),4極/21槽是分布繞組鐵氧體伺服電機(jī)比較好的一個(gè)極槽配合。

圖3 4極/21槽,4極/18槽電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩

圖4是鐵氧體伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子一個(gè)極下不同內(nèi)置槽布局示意圖。仿真結(jié)果表明,兩種轉(zhuǎn)子的齒槽轉(zhuǎn)矩相差不大,大約為25 mN·m,但寬“一”字形轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率為5.04%,窄“一”字形轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率為2.43%,減小了一半多,如圖5所示。這是由于兩種轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子鐵氧體伺服電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)和電樞電流波形更好,脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩較低。

圖4 一個(gè)極下不同內(nèi)置槽布局示意圖

圖5 兩種轉(zhuǎn)子電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩仿真

圖6 兩種轉(zhuǎn)子電機(jī)氣隙磁密的傅里葉分析

此外,采用定子斜槽和定子鐵心開(kāi)輔助槽都可以降低分布繞組永磁輔助伺服電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩。

2 集中繞組鐵氧體伺服電機(jī)

傳統(tǒng)永磁伺服電機(jī)大多用分布繞組。分布繞組電機(jī)需要人工下線(xiàn),生產(chǎn)效率較低,制造成本增加,而且分布繞組端部較長(zhǎng),增加了銅線(xiàn)的材料成本。集中繞組伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)繞線(xiàn),降低制造成本。

與分布繞組鐵氧體伺服電機(jī)一樣,集中繞組鐵氧體伺服電機(jī)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(jī)的仿真模型,轉(zhuǎn)子都采用內(nèi)置三層“U”字形布局。圖8為其齒槽轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果。

圖8 6極/9槽,4極/6槽電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩

由圖8可見(jiàn),6極/9槽,4極/6槽鐵氧體伺服電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩分別為79 mN·m和36 mN·m。兩電機(jī)q=0.5,但4極鐵氧體伺服電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩反而比6極的小了一半,因此,從減小鐵氧體伺服電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩和簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看,選用4極是合理的。

與分布繞組鐵氧體伺服電機(jī)一樣,相同極數(shù)條件下集中繞組鐵氧體伺服電機(jī)極槽配合的選擇對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩影響較大。圖9是4極/6槽與4極/9槽鐵氧體伺服電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果。4極/6槽鐵氧體伺服電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩為36 mN·m,4極/9槽電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩為28 mN·m。同為4極電機(jī),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(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩更小?？梢?jiàn),4極/9槽是鐵氧體伺服電機(jī)比較好的一個(gè)極槽配合。

圖9 4極/9槽,4極/6槽電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩

集中繞組鐵氧體伺服電機(jī)定子繞組可用機(jī)器繞線(xiàn),因此減小定子槽開(kāi)口,甚至可以用閉口槽來(lái)降低齒槽轉(zhuǎn)矩。圖10是定子開(kāi)口槽(開(kāi)口寬度1 mm)和閉口槽時(shí)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果,開(kāi)口槽鐵氧體伺服電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩為28 mN·m,閉口槽電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩為9 mN·m,齒槽轉(zhuǎn)矩下降了2/3,效果十分明顯。

圖10 開(kāi)口槽和閉口槽電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩

對(duì)4極/9槽鐵氧體伺服電機(jī)定子開(kāi)輔助槽如圖11所示,齒槽轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果如圖12所示。無(wú)輔助槽電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩為9 mN·m,開(kāi)1個(gè)輔助槽的齒槽轉(zhuǎn)矩為16 mN·m,開(kāi)2個(gè)輔助槽的齒槽轉(zhuǎn)矩為24 mN·m,比無(wú)輔助槽電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩有明顯增加?？梢?jiàn),集中繞組鐵氧體伺服電機(jī)定子不適合用開(kāi)輔助槽的方法來(lái)降低齒槽轉(zhuǎn)矩;與此相反,分布繞組鐵氧體伺服電機(jī)定子開(kāi)輔助槽則可以降低齒槽轉(zhuǎn)矩(仿真分析略)。

圖11 定子開(kāi)輔助槽

圖12 定子開(kāi)輔助槽時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩

3 與釹鐵硼伺服電機(jī)的比較

釹鐵硼伺服電機(jī)定子多用分布繞組,轉(zhuǎn)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(jī)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(jī)的規(guī)格數(shù)據(jù)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(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果。

圖13 釹鐵硼伺服電機(jī)仿真模型

圖14 伺服電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果

4極/21槽釹鐵硼伺服電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩為41 mN·m,相同極槽配合鐵氧體伺服電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩為24 mN·m;4極/9槽釹鐵硼伺服電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩為16 mN·m,相同極槽配合鐵氧體伺服電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩為9 mN·m。可見(jiàn),無(wú)論是分布繞組還是集中繞組,鐵氧體伺服電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩都要比釹鐵硼伺服電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)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(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩、氣隙磁場(chǎng)畸變率和電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率的仿真分析結(jié)果。結(jié)果表明,盡管鐵氧體伺服電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩比釹鐵硼伺服電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩低,但鐵氧體伺服電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率比釹鐵硼伺服電機(jī)的略有增加,其原因是釹鐵硼伺服電機(jī)氣隙磁場(chǎng)畸變率不到鐵氧體伺服電機(jī)的一半,反電動(dòng)勢(shì)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(jī)仿真結(jié)果比較

為了進(jìn)一步降低鐵氧體伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率,可以?xún)?yōu)化電機(jī)的轉(zhuǎn)子多層磁鋼槽布局,提高氣隙磁場(chǎng)的正弦性;同時(shí)采用定子斜槽,或轉(zhuǎn)子斜極的辦法來(lái)滿(mǎn)足伺服系統(tǒng)的性能要求。

需要說(shuō)明的是,本文電磁轉(zhuǎn)矩仿真在電機(jī)中通入的是正弦電流,而電機(jī)實(shí)際通入的是含有諧波的非正弦電流,因此,仿真所得的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率會(huì)比實(shí)際的小。

4 結(jié) 語(yǔ)

仿真結(jié)果及分析表明,選擇合理的極槽配合和轉(zhuǎn)子布局,分布繞組和集中繞組鐵氧體伺服電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩都會(huì)比表貼式釹鐵硼伺服電機(jī)有所降低;如果進(jìn)一步優(yōu)化轉(zhuǎn)子多層磁鋼槽結(jié)構(gòu),提高電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的正弦性,鐵氧體伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率可以達(dá)到釹鐵硼伺服電機(jī)的水平。

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