劉傳

摘 要：本文通過分析影響電機(jī)的徑向氣隙磁通密度相關(guān)因素，比如磁體厚度、磁體塊數(shù)、磁極偏心距、氣隙長(zhǎng)度等幾個(gè)方面，總結(jié)找出影響電機(jī)性能的一般規(guī)律，并根據(jù)該規(guī)律提出永磁伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞：伺服電機(jī)；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化；氣隙磁密

1 引言

伺服電機(jī)（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種間接傳動(dòng)輔助馬達(dá)裝置。機(jī)床、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、泵和機(jī)器人等設(shè)備都需要伺服電機(jī)作為控制部件，而電機(jī)的性能對(duì)于伺服體系非常重要，根據(jù)電機(jī)工作原理，可以通過氣隙磁通密度提高電機(jī)性能和穩(wěn)定性，而影響電機(jī)的徑向氣隙磁通密度主要有磁體厚度、磁體塊數(shù)、磁極偏心距和氣隙長(zhǎng)度等幾個(gè)相關(guān)因素。

2 影響氣隙磁通密度因素分析

伺服電機(jī)的主要部件是內(nèi)部含有永磁鐵的一個(gè)轉(zhuǎn)子，驅(qū)動(dòng)器可以通過控制U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，永磁鐵的轉(zhuǎn)子在驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)自帶編碼器，驅(qū)動(dòng)器通過比較反饋值與目標(biāo)值把反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器來調(diào)整轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

2.1 磁體厚度

電機(jī)的磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生的，影響電機(jī)氣隙磁場(chǎng)重要的因素就是永磁體的厚度。在保持其他因數(shù)不變的情況下，磁體厚度在1～5mm區(qū)間，以0.5mm為步長(zhǎng)進(jìn)行建模，仿真電機(jī)徑向氣隙磁場(chǎng)。分析結(jié)果表明；①磁場(chǎng)幅值隨磁體的厚度增加而增大。②徑向充磁產(chǎn)生的磁場(chǎng)與平行充磁產(chǎn)生的磁場(chǎng)相比，幅值較小，畸變率較大，在磁體較厚時(shí)這種差別表現(xiàn)尤為明顯。因此綜合考慮氣隙磁場(chǎng)的幅值和畸變率，永磁體的厚度最好控制在3～6mm比較適合。

2.2 磁體塊數(shù)

一組永磁體可以組成電機(jī)的一個(gè)磁極，因此磁體的數(shù)目必然會(huì)對(duì)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生重要影響。本文分別由2、3、4塊永磁體構(gòu)成一個(gè)磁極進(jìn)行建模，仿真電機(jī)徑向氣隙磁場(chǎng)。分析結(jié)果顯示：①氣隙磁場(chǎng)的幅值隨磁體塊數(shù)的增加而增大。3塊磁體時(shí)增幅最大。②氣隙磁場(chǎng)的畸變系數(shù)隨磁體塊數(shù)的增大反而減小。綜合考慮氣隙磁場(chǎng)的幅值和畸變率，電機(jī)的每極磁體由3或者4塊構(gòu)成較為適宜。

2.3磁極偏心距

磁極是貼合在轉(zhuǎn)子表面上的，而磁極的外徑中心和內(nèi)徑中心重合是最簡(jiǎn)單的一種方式，但這種磁極方式對(duì)磁場(chǎng)的正弦性和磁體的利用率不利。在保持其他磁極因素不變的情況下，本文研究磁極外徑中心和內(nèi)徑中心偏離的大小對(duì)氣隙磁通密度的影響，以步長(zhǎng)為1mm，磁極偏心距在3～20mm之間建模分析磁極偏心距對(duì)電機(jī)徑向氣隙磁場(chǎng)。通過試驗(yàn)結(jié)果分析顯示：隨著磁極偏心距的減小，徑向氣隙磁通密度幅值逐漸增大，而畸變率先增大后快速減小。因此要綜合考慮磁通密度幅值、畸變率和電機(jī)結(jié)構(gòu)，以確定磁極偏心距。

2.4 氣隙長(zhǎng)度

氣隙長(zhǎng)度對(duì)電機(jī)氣隙磁通密度也具有顯著影響，因?yàn)榭諝獾拇抛璺浅４?。本文在保持其他設(shè)置不變的情況下，氣隙長(zhǎng)度分別取1～5mm，步長(zhǎng)為0.25 mm 建模（當(dāng)氣隙長(zhǎng)度變化時(shí)，轉(zhuǎn)子的大小會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變），仿真電機(jī)徑向氣隙磁場(chǎng)。結(jié)果表明：①氣隙磁場(chǎng)的磁通密度幅值和對(duì)氣隙磁場(chǎng)畸變率的影響隨著氣隙長(zhǎng)度的減小而增大。②徑向充磁比平行充磁基波幅值略小，畸變率略大。因此綜合考慮幅值和畸變率，永磁伺服電機(jī)的氣隙長(zhǎng)度一般在1～3mm較為合適。

3 永磁伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)前面建模分析得出的電機(jī)結(jié)構(gòu)各個(gè)因素對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響規(guī)律，并以其為基礎(chǔ)，對(duì)原型電機(jī)有關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行適當(dāng)修改，利用仿真電機(jī)徑向氣隙磁場(chǎng)，篩選形成新的電機(jī)設(shè)計(jì)方案，通過新的電機(jī)設(shè)計(jì)方案和原型電機(jī)方案進(jìn)行效果比對(duì)，獲得相對(duì)于原型電機(jī)氣隙磁通密度優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)語

電機(jī)的性能對(duì)于伺服體系非常重要，機(jī)床、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、泵和機(jī)器人等設(shè)備都需要伺服電機(jī)作為控制部件，從而看出電機(jī)的社會(huì)地位和提高電機(jī)工作效率的重要性。本篇文章從電機(jī)的不同組件、參數(shù)分析了對(duì)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的影響，并通過對(duì)于單一參數(shù)變化時(shí)建模，仿真永磁伺服電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的變化，從而總結(jié)歸納相關(guān)規(guī)律?？偟膩碚f：①平行充磁比徑向充磁效果好，能夠獲得更大的氣隙磁通密度幅值和更小的畸變率；②磁場(chǎng)幅值隨磁體的厚度增加而增大；③氣隙磁場(chǎng)的幅值和畸變系數(shù)分別隨磁體塊數(shù)的增加而增大或減??；④隨著磁極偏心距的減小，徑向氣隙磁通密度幅值逐漸增大，而畸變率先增大后快速減?。虎輾庀洞艌?chǎng)的磁通密度幅值和對(duì)氣隙磁場(chǎng)畸變率的影響隨著氣隙長(zhǎng)度的減小而增大。

文中所分析、建模的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響較為明顯，但不同的參數(shù)的影響規(guī)律是不相同的。作者通過應(yīng)用以上規(guī)律，對(duì)各種因素進(jìn)行綜合考慮，做適當(dāng)?shù)挠来潘欧姍C(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的畸變率下降。

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