（电机与电器专业论文）抑制少槽永磁直流电机定位力矩的方法研究.pdf

a bs t r a c t i nap e r m a n e n tm a g n e td cm o t o r ，c o g g i n gt o r q u ee x i s t se v e nt h o u g ht h e r ei sn or o t o rc u r r e n tt h e c o g g i n gt o r q u ei so r i g i n a t e df r o mt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e np e r m a n e n tm a g n e t i cf i e l da n dt h es l o t t e di r o n s t r u c t u r eo f l a m i n a t i o n ，a n d m a n i f e s t s i t s e l f b y t h e t e n d e n c yo f a r o t o r t oa l i g n i nan u m b e r o f s t a b l e p o s i t i o n s ， i td o e sa l w a y sp r o d u c eap u l s a t i n gt o r q u er i p p l er e s u l t i n gi nv i b r a t i o na n da c o u s t i cn o i s e ，w h i c hi sd e t r i m e n t a l t ot h em o t o rp e r f o r m a n c et h em e c h a n i s mo fc o g g i n gt o r q u ei si n v e s t i g a t e d ，a n dt h es t a t u sa n dm e t h o dt o r e d u c ec o g g i n gt o r q u ei ss u m m a r i z e d t h ep r i n c i p l ei st om a k et h ec h a n g eo fm a g n e t o s t a t i ce n e r g yi nt h ea i r g a po f a m o t o re x p e r i e n c eas m a l l e rc h a n g e t h er o t o rr o t a t e s u s i n gf e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) ，t h ec o g g i n gt o r q u ei sc a l c u l a t e d ，a n dt h ed a t af r o mt e s t e dm o t o ra r e p r o c e s s e db yd o e ( d e s i g no f e x p e r i m e n t s ) m e t h o dm e f f e c to f c o r es h a r p ，c h a r g i n gm e t h o da n da u x i l i a r y s l o to nc o g g i n gt o r q u ei nf e w - s l o t sp m d cm o t o ri ss t u d i e d ，e s p e c i a l l yt h ef u n c t i o no fa u x i l i a r ys l o to n l a m i n a t i o ns u r f a c e i s i n v e s t i g a t e d i n d e t a i l s b e c a u s e a u x i l i a r ys l o t i s e a s y t o b e p r o c e s s e d a n d h a s l i t t l e i n f l u e n c e o nm o t o rp e r f o r m a n c et w os y m m e t r i c a la u x i l i a r ys l o t si nc o r r e s p o n d i n gp o s i t i o n so no n ep o l eo fl a m i n a t i o n a r em o r ee f f e c t i v ef o rc o g g i n gr e d u c t i o nt h ee f f e c to nc o g g i n gr e d u c t i o ni sd i f i e r e n tw h e nt h ea n g l eb e t w e e n t h ec e n t e r so f a u x i l i a r ys l o ta n ds a l i e n tp o l eo f l a m i n a t i o nc h a n g e st h ea n g l ei sd i f f e r e n tf o rd i f f e r e n tk i n d so f l a m i n a t i o nt oa c h i e v el o w e rc o g g i n gt o r q u et h eg e n e r a la n de f f e c t i v em e t h o dt or e d u c ec o g g i n gt o r q u ei n f e w - s l o t sp m d cm o t o r si sf o u n d m o t o rp e r f o r m a n c ei sa l s oc o n s i d e r e d t h cm e t h o da r eu s e di na c t u a l p r o d u c t i o nm o t o rt h a ts h o w sv e r yp o s i t i v ee f f e c t d o em e t h o dc a nf i n do u tt h em a i nf a c t o ra n di n t e r a c t i o nf r o mm u l t i p l ev a r i a b l e s ，t h e nd e t e r m i n e st h eb e s t i n p u tv a r i a b l e ( f a c t o r ) s e t t i n g st h a tp r o d u c et h el o wc o g g i n gt o r q u et h ec o g g i n gt o r q u ei nb e s ts e t t i n g si s r e d u c e d b y7 0 t h a n t h a to f e x i s t i n gs e t t i n g su s e db y p r o d u c t i o n l i n e k e yw o r d s ：c o g g i n gt o r q u e f e w - s l o t sp m d cm o t o ra u x i l i a r ys l o t r e d u c i n gm e t h o d i i 辩韩一系掰大学学位论文被茸雠声孵致使用授权声孵文本 东摩大学学搜谂文教嫠镌声冁 率a 声瓣赝呈窝静学搜稔交黯载个人夜导帮攒导下遴荦亍静礤糍工臻教取褥静氍究残暴。器我辑翻， 除了文孛特囊热鞋麟注零鼗港的地方努，谂文孛幂包含箕艟夫已搬发表或撰写避豹器突减果，氇不包 含炎获得东鬻大学竣其它教育辊鞫的学位或证书谳使用避的材料。与瑟一同工俸的同意对奉研浅所傲 的任俺贡蘸穗e 在谂支孛豫了弱确游说碉并表示了谢意。 研究璧签名；墨缝熊 黠 零鹰太学学位谂文健甩授牧声明 精 彰趣墨 东南犬学、中国辩学技术信崽辨究所、国家隧书馆鸯投保霹本人所送交学搜论文的复印俘秘电予 文楼，霹叛袋翔影窜、缩印绶萁德麓翻手段绦存谂文。本a 电子文档薛内祷霸纸骥论文静蠢容稚致。 赊褒铩密捐浅静摄掺论文事 ，竞诲谂交梭蠢淹和援瓣，霹敬公毒( 餐捶铡登) 渣文鹭全端臻部分离窖。 论文的公布( 包括翻整 硪甓生签 鳜融5 鞠1 绪论 绪论 0 1 定位力矩概念及其对电机性能的影响 在不同文献中，定位力矩( c o g g i n gt o r q u e ) 有不同名称，如齿槽定位力矩、齿槽转矩”1 、磁阻 转矩0 1 等，但外国文献均称为c o g g i n gt o r q u e 。定位力矩是永磁电机的固有现象，它是在电枢绕组不 通电的状态下，由永磁体产生的磁场同电枢铁心的齿槽作用在圆周方向产生的转矩，又称齿槽定位力 矩。它的产生来自于永磁体与电枢齿之间的切向力，使永磁电动机的转子有一种沿着某一特定方向与 定子对齐的趋势，由此趋势产生的一种振荡转矩。它仅与转子的结构尺寸、定子齿槽的结构尺寸有关， 而与“绕组如何放置在槽中”和“各相绕组中馈入多少电流”等因素无关。 定位力矩对电机影响在于定位力矩会使电机转矩波动，使电机不能平稳运行，影响电机的性能。 同时使电机产生不希望的振动和噪声。当电机气隙更小，磁铁磁性更强时，定位力矩会更大。在变速 驱动中，当转矩频率与定子或转子的机械齿振动频率一致时，定位力矩产生的振动和噪声将被放大， 定位力矩的存在同样影响丁电机在速度控制系统中的低速性能和在位置控制系统中的高精度定位，随 着性能更好的磁铁的日益广泛使用，定位力矩的问题更加突出。 0 2 抑制永磁电机定位力矩的研究现状 分析定位力矩的方法有两种，一种是利用麦克斯韦张量法( m a x w e l ls t r e s sm e t h o d ) ，另一种是能 量变化法。对于抑制永磁电机定位力矩的方法，国内外研究者，包括德昌电机公司，进行了大量深入 的研究，总结提出了一系列的方法，这些方法可以分为两类：一是从控制策略上加以抵消，如谐波电 流控制、力矩观测控制等，这是一种被动式的抑制方法。这种方法与电机本身结构无直接关系。二是 从电机本体的结构参数出发，利用电机结构设计从而抵消定位力矩，这是一种主动的本质性的消除方 法。第二种方法中，根据文献目前有如下的一些措施“3 。 02 1 电枢斜槽或定子斜磁极 研究证实，将电枢槽相对于定子磁极倾斜一个电枢齿距可使定位转矩降到非常低的程度，同样定 子磁极相对于电枢斜一个齿距也可以达到相似的效果。由于端部效应，实际上斜槽不能完全消除转矩 脉动，采用斜槽或斜齿的代价是使电机结构趋于复杂，并且在一定程度上降低了电机的输出转矩，电 机的性能在一定程度上被牺牲了。 0 2 2 减少电枢槽开口宽度 电磁场作用力粗略地跟磁通密度的平方成正比，通过改变冲片的形状可以寻找到低的定位力矩“1 。 绪论 减少电枢槽开口宽度或采用磁性槽契能减小气隙磁导变化，减少或改变谐波从而抑制定位力矩， 设计电机时在满足生产工艺的前提下尽可能减小槽口宽，此方法同样使电枢复杂化。对无开口槽电 枢，定位力矩也为零。减少电枢槽开口宽度会增加放入绕组的困难。 0 2 3 改变极弧宽度 改变极弧宽度对定位力矩波形的幅值和形状都有重要影响。极弧减小，定位力矩峰值相应减小， 但应注意改变极弧宽度将以完全不同的方式影响定位力矩和电磁转矩脉动。另外，改变磁铁边缘形状 对磁铁边缘削角，并且使两边磁铁边缘不对称，在这种情况下，一个电枢齿刚离开磁极，另一个齿则 进入，定位力矩的峰值可降低7 0 。 0 2 4 移定子磁极 对多极电机，移动相邻的磁极能同时消除定位力矩脉动和电磁转矩脉动的基波分量。当一对磁极 相对于相邻极对旋转时，气隙磁导将保持不变，而磁场分布将要发生改变，这是由于励磁不再以对称 方式，而是一个对称分量( 余弦项) 和不对称分量( 正弦项) 的结台，并将正弦形定位力矩大部分抑制。 0 2 5 电枢槽不均匀分布 利用叠加原理，计算出电枢槽不均匀分布时可降低定位力矩。 0 2 6 电枢齿开槽 电枢开槽( 或称为电枢齿开岔) 可使电机增加一些附加的槽。针对不同的极数适当选择电枢齿开槽 数目，可有效抑制定位力矩脉动。增加虚拟槽或虚拟齿均能使气隙磁阻分布到更高的频率，从而降低 定位力矩。在电机冲片表面增加两个小的坑位可以减小定位力矩，运用随机优化方法的评估策略 ( e v a l u a t i o ns t r a t e g y ) 可以取得优化值。 0 2 7 电枢采用分数槽 电枢采用分数槽提高了定位力矩基波的频率。由频谱函数特性可知，基波幅值随基波频率的增加 而减少，从而通过提高齿槽转矩的频率，达到减少定位力矩的作用。 0 2 8 改变磁钢磁化方向 对相同尺寸的电机，磁钢平行磁化的电机比径向磁化的电机定位力矩小。 0 2 9 德昌电机公司的研究成果 在德昌电机公司中，也有类似的一些研究，如对以下方面曾有研究：冲片轭宽、磁铁形状、充磁 方式( 径向及平行) 、极弧系数、磁性槽契、冲片面加辅助凹槽、斜槽等因素对定位力矩的影响。 德昌电机公司中推算定位力矩的公式” 2 绪论 式中日： d ： 凡 艟 肛 p 酿 t p ) 2 三d 7 军州。懈n s i n ( n n 。e ) 铁心机械角度： 气隙直径： 倾斜系数： 冲片叠片厚度 m ( 0 ) 磁铁的励磁方式： 1 2 3 ： 0 与2 p 的最小公倍数： 磁铁极对数： p ( 0 ) 气隙导磁率： 电枢坑位数： 7 0 ( 功定位力矩。 生产中改变减少定位力矩的方法有两类，一种是通用的，一种是特别指定型号的。 表o - 1 生产中减少定位力矩的方法 编号方法通用的特定的 1 充磁夹具和工序 2 冲片形状 3 磁铁端部形状 4 磁铁极弧系数 5 电枢斜槽 6 电枢坑开口减少 7 冲片面加辅助凹槽 8 磁性物填充电枢坑位 9 磁性物填充磁铁极间区域 l o 电枢极数 1 1 磁铁极数 1 2 铁芯冲片厚度 1 3 气隙直径 ( o 1 ) 增大气隙能有效地削弱高次谐波磁场和齿谐波磁场，随之削弱附加转矩。1 。 电机尺寸越大，磁钢磁性能越强，均使得气隙与磁钢的储能越多，齿槽定位力矩的幅值也越太“1 。 对于前9 种方法，都有在理论和实验中进行研究。 3 绪论 0 3 课题研究的背景、目的和内容 常用有限元方法分析计算定位力矩，除了使用有限元方法分析计算定位力矩，还可以用 f l u x m m f 方法。这主要是对几何形状的物理解释，一样可以适用各种减小定位力矩的方法分析 ( m m f ：m a g n e t o m o t i v ef o r c e 磁势) “。运用遗传算法g a ( g e n e t i ca l g o f i t h m ) 可用来分析冲片形状， 取得优化值来降低定位力矩1 。 对于永磁电机抑制定位力矩的的研究已经较为成熟。很多技术都可以在设计中进行应用，但在实 际生产中，考虑到经济性，特别是在大批量流水线生产中为了取得工序操作的方便性，有些技术并不 会采用，如过份减少电枢槽开口会引发加工线圈绕组的因难。寻找到实用且郊果好的抑制定位力矩的 方法，对满足电机产品的应用要求很有帮助，同时也能简化生产工艺，提高生产效率。 因为德昌电机公司主要大量生产少槽永磁直流电机，而三槽及五槽电机又为其主要产品，故对三 槽及五槽永磁直流电机进行研究具有现实意义，通过研究必须能够解决抑制少槽永磁直流电机定位力 矩这个实际工程问题。 各文献的研究，主要是针对直流永磁圆形电机，很少是涉及少槽直流永磁扁形电机，在实践中同 类型的扁形电机的定位力矩比圆形电机的定位力矩大，同时较少见到能够通过比较大量的样板制作来 验证理论效果并能成功解决实际生产工程问题的。由于对电机性能影响很小，生产中便于加工，冲片 辅助凹槽对抑制少槽直流电机定位力矩的作用正被深入地研究。但目前对于辅助凹槽的位置要求研究 还较少。 本课题的主要内容 1 ) 目前抑制少槽永磁直流电机定位力矩方法的总结。 2 ) 抑制少槽永磁直流电机定位力矩的原理。 3 ) 应用有限元方法进行分析。 4 ) 少槽永磁直流电机定位力矩的有限元仿真。 5 ) 三槽扁形永磁直流电机定位力矩的改善。 6 ) 寻找出不同抑制定位力矩方法的有效性和最佳组合。 7 ) 对整个设计进行分析和总结。 第一章少槽永磁直流电机产生定位力矩的原理和抑制方法 第一章少槽永磁直流电机产生定位力矩的原理和抑制方法 1 1 概述 为了提高电机在位置控制系统的高精确度定位，同时减少电机的振动和噪声，必须抑制电机的 定位力矩。现在对降低永磁直流电机的定位力矩已有大量的研究，主要的方法有电枢斜槽或定子斜 磁极、减小电枢槽开口宽度、改变极弧宽度、移定子磁极、电枢齿开槽、电枢采用分数槽、改变磁 钢磁化方向和冲片面加辅助凹槽等等。这些方法可以归纳为三类： ( 1 ) 磁铁本身在成型过程中所受外加磁场状况，磁铁的几何尺寸变化。 ( 2 ) 充磁方式的不同，不同的充磁夹具使磁铁充磁后的磁场分布不同。 ( 3 ) 冲片的外观形状，冲片的齿宽、槽宽及表面状况的4 j i 百1 ，使冲片在旋转过程中与磁场的作 用力发生变化。 抑制定位力矩的原理，主要就是减小电枢旋转过程中在气隙中的磁场能量变化。 a 体与转子齿之间圆周方向的磁吸弓l 力“，趋向于维持转子 位力矩周期，为方便讨论定位力矩的周期，以一对磁极及 t c 。s ( n 。m ) o a 图卜la 位置不稳定的定位位置 ( b ) 东南大学l 程硕士学位论文 在该定位位置，台成定位力矩为零，此时转子与定子间的气隙最大，气隙磁阻撮大，将转子从 该位置移动将会产生一个定位力矩，趋向于减少定子与转子之间的气隙磁阻，因为转矩尝试将转子 拖离该位置，所以这是一个不稳定的定位位蚩。 如图1 2 ，假没转了沿逆时钟( c c w ) 方向旋转，转子达到了圆周方向最大的吸力位置，此时对应 的定位力矩为峰值，该定位力矩将转子拉向一个稳定的定位位置。 t 。g ( n n 1 ) ab c ( a ) ：哩(呵m 1 _ _ 2 7 ； ， abc 图13c 位置稳定的定位位置 d 位置显不转子重新处t 一个定位力矩峰值位置，此时转子位于圆周方向最大吸力，但该定位 力矩为负佰，这说明该作用力趋向于阻止转予按逆时钟( c c w ) 方向旋转，即意味着趋向于将转子拉回 到c 位置。 6 第一章少槽永磁直流电机产生定位力矩的原理和抑制方法 o 一：，一、 ab d 蜂值定位力矩位置 h ( t a d ) 此时气隙最大，定位力矩仍为负值，同样是趋向 0 厂l 、 ab d e 图1 5 定位力矩循环周期 ( b ) 0 ，。1 ( r a d ) 以上只是以 对极。槽转子电机为例，对于一对极永磁磁铁，三槽转子电机或五槽转子电机， 定位力矩就是每一个槽的定位力矩的合成转矩。一个循环周朗中，三槽电机有6 个峰值，五槽r 机 有1 0 个峰值，定位力矩的周期取决于极列数和转子槽数。对1 对极电机，当转子槽z 为偶数时，k - 2 ， 需要计算的转子转动范围为一周期3 6 0 0 z ，对于奇数槽电机，k - 2 2 ，需要计算的转子转动范围为一 周期3 6 0 。( 2 z ) 一1 8 0 。z 。 1 3 定位力矩的特征 实际上，定位力矩的产生与电磁转矩不同，即使绕组没有电流通过，由于磁铁与转子齿之间的 相互作用，电机中一样存在定位力矩。 7 东南大学工程硕士学位论文 在直流电机中，电磁转矩 t ：竺i c z a 刀 k ：竺 2 翮 f 卜2 1 对已制造好的电机，尸m 2 a u 淘个常数， 令c ，= p n | 2 a i r t = c r 。 ( 卜3 ) 电磁转矩正比于电枢电流和每极磁通。c ，和足不能够从电机外部测量的。从而有r ：五，k 为 一个常数，称为转矩常数( t o r q u ec o n s t a n t ) 。这是电机中的最重要参数之- ，它取决于电机统纰内 总的导体数，并联支路数及极对数。 对于对称等距齿排列结构电机，每旋转一周，定位力矩的波动数目取决于槽数与磁极对数的最 小公倍数，定位力矩的波形也取决于电枢和磁极的组台。 用公式c2 p q n “来确定一个简单因数来作为减少定位力矩的设计原则，其中，2 p 是磁极的个 数，q 是槽数，n 是q 和2 p 的最小公倍数。因数c 越大，则定位力矩越大，例如对4 极( 2 p = 4 ) ，1 6 槽( 0 - 1 6 ) 电机，最小公倍数n - 1 6 ，因c - 4 1 6 1 6 - 4 ，产生较高的定位力矩。 而如果采用1 4 或1 8 槽，则：c = 4 x 1 4 2 8 = 2 ( 对1 4 槽电机) ，c - 4 x 1 8 3 6 - 2 时( 对1 8 槽电机) ，则 定位力矩将会碱小。 同样，对三槽 对极电机：c - 2 x 3 f i1 定位力矩较小。 对五槽一对极电机：c2 x 5 1 0l 定位力矩较小。 对四槽一对极电机：c - 2 x 4 4 - 2 定位力矩较高。 对六槽一对极电机：c2 6 62 定位力矩较高。 当铁芯和磁场分布均衡时，显然在其他条件相同的情况下，少槽永磁电机，采用3 槽、5 槽、7 槽电枢时定位力矩较小。 由公式tf r 知，计算定位力矩及转矩，自先要计算月，计算电枢受到的力，常用方法有两种， 能量法和麦克斯韦张量法。在下面的论讨中，将会分别应用到。 定位力矩与铁芯及磁铁的几何形状和充磁方式有关，磁铁极性并不是影响转矩方向的主要因素， 由于永磁体的存在，即使铁芯( 电枢) 不通电，在电机内部空间存在一个合成磁场，电机中磁场在不 同媒介( 如空气、磁铁、铁芯、铁壳、绕组等) 中的分布、变化，决定了电机的性能，特别是气隙磁 场起丁决定性作用。 磁铁形状，电机充磁方式，以及冲片几何形状对定位力矩的影响，都会在下面的文章中进行纺述 和分析。同d , i ，对功率小的永磁直流电机，机械摩擦力因素所产生的力矩波动，也对转矩波动起了 很大的作川，定位j 矩本身值越小，机械摩擦力造成的转矩占的比例越大，影响越大，有的甚至超 过了5 0 的作用。 8 第一章少槽永磁直流电机产生定位力矩的腺理和抑制方法 1 4 抑制定位力矩方法 现从以下儿个方面进行分析： 1 ) 磁铁成型要求； 2 ) 极弧系数； 3 ) 充磁力式分析： 4 ) 冲片斜槽： 5 ) 冲，【_ ；齿分叉； 6 ) 冲片形状( 坑宽s l o tw i d t h ) 7 ) 冲片表面辅助凹槽； 8 ) 磁性槽契： 9 ) 保磁圈作用： l o ) 磁檄转子分段移位。 l4 1 磁铁成型要求 少槽电机所使用的磁铁主要有瓦片形磁钢和环形磁钢，瓦片形磁钢主要有铁氧体和铷铁硼磁锕， 在德昌电机公司，铁氧体瓦片形磁钢被大量使用，环形磁钢叉可分为铁氧体磁钢和胶磁( r u b b e r m a g n e t ) 。铁氧体环形磁钢已在磁铁厂中成型为闭合环形，电机装配线上直接将它装配入机壳铁壳 ( r e a rh o u s i n g ) 巾，然后根据使川要求采用不同的充磁方式及充磁电压。胶磁以塑性材料为基底， 填加铁氧体颗粒，磁铁厂出厂时为长方形状态，在电机装配线上通过机械夹具( 啤磁模，德昌电机公 司机模名称) 将胶磁啤入机壳( 铁壳) 中，同枰也成为个闭合磁铁环，相对瓦片形磁铁而言，在吲样 充磁方式条件下，环形磁铁产生的磁场在气隙中的分布更加均匀，更加容易接近正弦波分布，从而 使电机在运行中产生的转矩波动更小t 当然定位力矩的波动也更小，峰峰值( p e a kt op e a kc o g g i n g 。t o r q u e ) 也巫小，但胶磁产生的磁场的磁场强度相对较低，只能用于转速相对较低，堵转力矩要求较 低的场台。 对于瓦片彤铁氧体磁钢电机，要提高永磁电机的性能，除r 要改进电机的设计外，改善永磁磁 钢的性能也具有十分熏要意义。不同的应用范围，如商业多媒体、家用动力工具、个人护理用品、 汽车马达，自然就有不同的性能要求。电机的设计要求，工艺婴求也就不同，对磁钢形状要求也不 同，以气隙磁密b 。( 0 ) 波形为基准，就能按用途和使用寿命的要求不同而有不同的选择，要求平顶波 磁密的，利用等厚瓦片形磁钢并对其各处进行完全充磁，使其工作在材料的最大磁滞回环上“，平 顶波磁密能利用充分大的充磁能量，使磁钢各处都工作在材料的最大磁滞回环上，充磁时充磁能量 取最大值，将充磁磁极与磁钢表面充分吻台接触。 对于用于改善振动噪声、换向火花、减少，_ 载电流、减少定位力矩的电机就必须采用正弦波形或 近似正弦波的气隙磁密波形，当磁钢足等厚瓦片形磁钢时，要达到正弦波或近似正弦波的气隙磁密波 形，须通过精巧设计充磁极头( 德昌电机公司有许多不同形状的充磁头) 和严格控制充磁能量( 不同功 9 第一章少槽永磁直流电机产生定位力矩的原理和抑制方法 率充磁箱，用不同充磁电压) 使中央部分磁钢充分磁化而两倒磁极逐渐减弱磁化而获得。这就意味着， 磁钢各处被磁化程度不同，中央部分达到最大，而两侧逐渐减小，不同的位置工作在不同的磁滞回环 上。但气隙磁密的波形质量不易稳定，例如磁钢的尺寸公差，充磁机充磁能量的随机变化，都会影响 气隙磁密波形的稳定性。 为了获得正弦波形或近似正弦波形磁密，可使用不等厚瓦片形磁钢，设计依据是，不等厚瓦片形 磁钢各e 处磁钢元都被充磁到最大磁滞回环并在其上工作，当然各磁钢元工作点的高低有所不同“， 假设铁氧体永磁材料具有直线型去磁曲线，对于具有低拐点的( 工作点不受稳磁磁势影响而总是工作 在直线部分上的) 准直线型去磁曲线材料，可以把其直线部分延长到与横轴相交而得到虚拟的矫顽磁 场强度也( 用以代替真实的h 。) 再进行设计而无任何影响，该处理同样将会在有限元计算中使用。 除了采用不等厚磁钢设计，磁铁边缘进行适当削角也能取得较好的效果。 影响到磁钢性能的因素除材料的特性外，磁钢成型过程中所施加的成型磁场也有着决定性的作 用。对瓦片型铁氧体磁钢，如果磁钢成型磁场非径向分布，电机的气隙磁密达不到设计要求，在磁 钢的压制过程中，上下模头间须施加一恒定磁场，以便在模腔中的粉未达到一定的压力时，也就是 当磁畴方向不能再改变时，磁钢的磁畴方向与以后的充磁方向一致“，该恒定的成型磁场对所生产 出的磁钢性能同样存在重要影响。 1 42 极弧系数 当转子转动时，远离磁铁边缘齿周围磁场保持接近稳定。磁场的能量变化主要是由于齿位于磁 图卜6 极弧系数a 铁边缘处磁场变化引起，这样场变化主要就集中在磁铁两边脉动边 缘，所对应的齿的这一小部分，磁铁两端所产生的力矩因素是相互 独立的，定位力矩的基本的正弦分量可以通过适当选择磁铁宽度w 来有效消除，磁铁宽度w = ( n + o 1 4 ) 九时，文献“”中峰值力矩只有原 来值的1 ，n 为整数，磁铁宽度w = ( n + o 6 4 ) x 时，定位力矩为原来 值的2 5 。 设磁铁角度为d ，转子转动的角度为b ，依据制造、装配和性 能要求，对磁铁形状有不同的设计方法，德昌电机公司对三槽电机中的h c 2 0 3 d ( ；和p c 2 0 0 d 6 电机进 行2 d 有限元分析，有如下的发现1 ，径向充磁二极三槽电机每6 0 0 是一个定位力矩周期，每3 0 0 有 一个不同方向的对称图形。 1 ) 图卜7 显示在3 0 0 范围内磁铁角度d 与力矩关系，不同磁铁角度有不同特征的凸脊和凹槽位 置。为便于观察，我们只关心定位力矩数值，定位力矩的绝对值在图中显示，凹槽与转子为另一个 凸脊。最大定位力矩与磁铁角度d 关系图，在凹槽处有一个特别深的位置，此时c l = 1 2 3 。，可取得最小 定位力矩，适用于p c 2 0 0 电机。 1 0 第一章少槽永磁直流电机产生定位力矩的原理和抑制方法 t b t 。】1 l 1 o 北i k k 。n 皑h ￥t 。q 1 6 p ”m e m 、l u 蚪3 w 1 ) h n k 。抖。jn rb 1 5 】【j 4j 1 婶。“。1 强】l i r 目k 日灿hr fi i ( ? 2 j bl x i “ 图i7 定位力矩与c x 关系 2 ) 实验测试结果如罔卜8 所示。最小定位力矩位置为q - 1 2 3 0 。 t ( 萨c m ) 吼( d e g ) 05 01 口口15 口2 口d 困1 8 最大定位力矩与磁铁角度 关系图 3 ) 对h c 2 0 3 x ；马达，【! 王有类似图形，c 1 3 8 。时可取得最小定位力矩，现时德昌电机公司所川为 l 3 5 。，近1 3 8 。但还不是最优值，另外，在改变磁铁形状体积的同时，马达性能有轻微下降，扭矩 常数分别下降1 3 ( c w ) 和3 3 ( c c w ) ，对不司磁铁，减少定位力矩的最优化角度值是不同的。但应 注意到，改变磁铁极弧系数，会以完全不同的方式影响定位力矩和电磁转矩波动，因为定位力矩只 是取决于磁铁与转子齿槽的相互作用，而电磁转矩波动则取决于许多因素，比如因为磁铁极弧而产 生的电磁感应力，没有一个特定的磁铁极弧系数能够同时降低定位力矩和电磁转矩，在大多数的情 况下，采用折中平衡的方法来减少电机整体转矩波动。 。喜宙一u lj b 臼4 2 口8 b 4 2 d 东甫大学工程硕上学位论文 l4 3 充磁方式分析 铁氧体永磁材料和稀上永磁材料的充磁方式有径向充磁、轴向充磁、平面充磁和轴向环充磁等， 根据材料的具体形状还可分为内充方式或外充方式。 目前，在德昌电机公司使用的充磁电源主要是电容式充磁电锨，根据来源，有日本的j o y - 铬牌 和国产哈尔滨的充磁机。它们的原理基本类似，随着永磁材料的迅速发展，永磁材料的内禀矫硕力 越来越高，必颓用强人的磁场才能使其磁畴按照一定的方向排列起来，高电压、大电流、电容储能 式脉冲充磁电源能将储能电容上的电荷通过线圈瞬间释放( 典型释放时间_ 1 0 0 s ) 输出大功率，在充 磁线圈附近产生强大的脉冲磁场，使永磁材料充分受磁。由于采用脉冲放电方式，使得充磁线m 的 体积减小，发热景降低，t 作效率高( 29 秒的典型工作周期) 。充磁电源能够提供的最大能量是 p - c u 2 2 。 电容式充磁电源有6 个组成部分”1 ，包括供电系统、储能系统、释放系统、控制系统、临视系 统和外部输入输出系统等。由于采用高压充磁方式，续流采用口 控硅，消除反向电流的同时对电容 充电，充磁线圈的阻抗可有很大范围的选择，该类充磁机具有瞬时补电功能，使每次充磁的电压均 相同，电源工作一致性好，操作上具有手动和自动充电工作方式，特别适合流水线工作，电压调节 方式是随动，无级调节充电电压，调节操作在充电过程中或待充磁状态下有效。 充磁电源系统示意图卜9 。 图1 9 系统工作框图 当允磁电源接收到外部输入指令( 充电、充磁) 后，控制系统控制允电系统将2 2 0 v 5 0 h z 交流电 凋节后经升压变压器升压，由整流单元将交流电变成高压直流电向储能器充电，当电压检测系统检 测到充电电压与操作预置电压相等时，控制系统关闭充电系统，停止充电并等待充磁指令和发出待 充磁信号，同时，检测系统如果检测到储能元件上的电压有上下波动，控制系统会同时启动充电系 统，对储能元件进行瞬时补电，此动作在充磁电源未接到任何指令时一直进行。当输入系统接收到 充磁指令后，控制系统控制释放系统的触发电路工作，触发可控硅导通将储能元件上的电荷通过外 部线圈瞬间释放，在线圈中心产生强大的磁场，充磁工作瞬间完成，控制系统回到初始状态。如果 第一章少槽永磁直流电机产生定位力矩的原理和抑制方法 输入系统的自动功能有效，控制系统l 亘| 到初始状态后会立即控制充电系统再次进行下一个周划n 勺充 电工作。 磁场分布影响定位力矩，永磁铁磁场有不同的类型，这对定位力矩有不同的影响， 为了得到实际的永磁电机的磁场分布，可以测量电机气隙中的磁感应强度分布，将霍尔效应感 应头放入电机，贴近磁铁表面气隙位置处，用另外一个电机带动转动，感应头切割磁场，在不_ j 位 置产生不同大小的感应磁场和电流。通过程序运算推导得到磁场波形。同样也可以采用2 d “”计算得 到磁场波形。 1 正弦波磁感应强度分布模式 2 方波磁感应强度分布模式 l - | 畸_ 赫畦 图卜1 0 正弦波磁感应强度分布 蓁 3 梯形波磁感应强度分布模式 l b # 蝴荆 图l1 2 梯形波磁感应强度分布 钾船啦舳啦蚋枷删 童l巴拿毫 譬嚣基弗墨 东卣人学工程硕士学位论文 由有限元分析可知，虽然纯止弦波分布磁场难以得到，但永磁体采用纯正弦分布的磁感应强度 时定位力矩词被最有效的抑制。这种方法的个好处是不需要对电剞【结构进行更改，实际生产- p ， 。般只需通过训节克磁极头及夹具来获得。 德昌电机公司有不同充磁方式。在德昌电机公司，由于微型电机( 马达) 产量很大，应用系列众 多不一，不向的应用对电机的性能，特别是噪音、振动和定位力矩有不同的要求，为了满足不同的 成用要求，马达设计就婴有相腌的改动，不问的充磁方式共有二r 多种、。充磁方式的分类是根据充 磁装置的不同特征来区分。充磁装置包括铁芯、线圈、充磁头及其它附件在内的励磁装置。关键装 置是充磁头，它的作用是在充磁过程中，作为位于磁底( 磁铁加铁壳) 内的导磁部件，被充磁的部件 町以是磁底，电日j 以是成品马达，前者称为磁底充磁，后者称为马达充磁，用得最多的是磁底充磁， 虽然有二十多种充磁方式，但是按充磁线罔分类，充磁方式主要有三种类型： 1 ) f ，内充磁： 2 ) s ，s i d ec o i l 充磁( 外置线圈充磁) ： 3 ) t ，隧道允磁。 它们的主要功能分别如下： 1 ) 内充磁 该类充磁力。式，能够将磁铁充分充磁，达到饱和状态，充磁方式基本上属于径向充磁，充磁扁 磁场的波形分布为平顶波。 2 ) s l d ec o i l 充磁又可再细分出十多种充磁方式，现简单介绍s 1 和s 2 两种充磁方式 艄骶h 地：0 已 图11 3 内充磁方式示意图 它们基本上属于平行充磁，充磁后的磁场波形分布接近于正弦分布，s 1 与s 2 的区别在于s 1 的 充磁头是对称分布，相刘成所得的磁场也为对称分布，s 2 的充磁头是不对称分布，相对应所得到的 磁场也是不对称分布，s 2 充磁属于偏置式s i d ec o i l 充磁方式，这种充磁方式的目的就是使马达在 运转过程中，电枢受到一个侧目力，从而减少振动。使用s l d ec o l1 充磁方式，要更高的充磁也压， 也即更高的充磁能量才能达到内充磁方式的效果，使磁铁充到饱和。 3 ) 隧道充磁 更接近于平行充磁，同时也配宵不同的充磁头( 形状和大小不| 司) ，但同样要求更加高的充磁电 压才能将磁铁充到饱和，有时磁场难以充到饱和，所以该充磁方式在德昌电枫公司不被普遍应j h 。 1 4 第章少槽永磁意流电机产生定撼力矩的原理和抑制方法 另外，马达充磁中，电牛k 铁芯所趣的作用就类似j | 充磁头，玛j _ ! i 充磁的目的就是希望得副均匀 分布磁场。 扶大量生产帮掾臻 艺充磁方式的方面考虑，戈了方便瓤模管矬秘涌蔽，并不是充磁方式越多然 好，穗鸹电视公鼋电产线最常使用国就是内充磁方式、s l 和s 2 方式。理论上谣，s l 对定位力鲢柏 溅少帮助较大。 i ；4 ，4 串菏瓣稽 参见文献“，讨论伺服电机斜槽对定位力矩影响。设转千齿数n 。与定子极数n 。，假设有4 个齿 时，电机直槽时的定位力矩t 。为 l 、r n ( t 。+ t 2 t 黾 t 4 )( 卜4 ) 式巾氐( k - l 、2 、3 、罨磋钢搏蹋在攀个盏上懿转铤，n = n ，4 - n 。3 = 6 。其串 瓦2 喜t 珈挣一学m 。，*l ( 1 一h 式孛v = 4 l ，纛蠹定子棼个齿辑受力键酶v 凌谐波蜂德。整理得 l = 一4 j 瓦。s m ( 4 n ，l o ) l = l ( 16 ) 当使用斛槽时，著斛槽角度为s ，利用斛槽轴向积分的方法，得到电机辩槽时的定位力矩表达式 芳争t i z - s i n ( 2 n p l 6 ，姗 4 n p l ( o + 刽 ， 分析式( 17 ) 可知：当d ：k 生。土2 x 时，即转子斜槽州离为1 3 个转子姆矩的整数倍时， 2 n p 3 n ， 电机的定位力矩将碱少歪零，为，消酚定位j j l l 7 _ ，斜糟式斜极角度成为k 竺，冀巾为n 。与n 。的 最小公倍数，k 为斜槽倍救，k - 1 、2 。 赛豁诗算瓣蠖对隶磁赛流马达是搜力矩影响时，文献。j 络囊了一麓便诗箕方式，电抠是电k 轶 冲片绅藏而成，冲片瓣一种铁磁忭物料，电枢定位力矩是每一块冲片廷同作用的结果。 当电枢斜槽角度为c x 时，定位力鞭到表达为 z 赢络e 詈心拼沁躺 式中 5 t ( a + 翳2 ： ( 固 。( ) 滔萤零位； 8 ) 进行测量； 9 ) 计算机处理数据和图像显示； l o ) 计算辊数据保存( c s v 格式) 鞠露傣。 4 2 第三章三槽扁形永磁直流电机定位力矩的抑制 其中步骤1 ) 4 ) 是测量前期准备工作，步骤6 ) 一1 0 ) 是每一次电机定位力矩测量步骤。 图3 1 5o - p 和p - p 示意图 测量到的定位力矩值有两类，如图3 1 5 ，一个是o - p 值，一个是p = p 值。o - p 值是测量零点( x j = 【) 与测量最高点的差值，p p 值是测量最高点与最低点的差值。它反映了转矩的波动范围。在本实验中 采用p p 值。 3 4 测量结果 34 1 测量结果 部分测得的定位力矩波形如f ： 1 ) 1j 8 0 5 冲片，内充磁方式，两个对称凹槽，槽中央与冲片中心线夹角为1 5 0 ，测得的定位力矩 波形。最低值。 图3 1 6 定位力矩波形，1 1 8 0 5 冲片，内充磁，1 5 。凹槽 东南大学工程硕士学位论文 2 ) 1 0 7 0 0 冲片- 内充磁方式，不开槽，测得的定位力矩波形。现在生产线上国达方式。 匿3 一1 7 定位力矩渡形，1 0 7 0 0 冲片t 肉充磁，不开槽 3 ) 1 0 7 0 0 冲片，s 2 充磁方式，巾央开一凹槽，测得的定位力矩擞形，最高值a 圈3 一1 8 定位力矩溅彤，1 0 7 0 0 挣月，s 2 充磁，中央开凹槽 4 ) i 1 8 0 5 冲片，内充磁方式，州个对称凹槽槠中央与冲片中心线夹角为3 0 0 ，测得的定位力矩 液搿。 瞬31 9 定位j j 稚波形，1 1 8 0 5 冲j = ，内充磁，3 0 。鞠稽 第三章二二槽扁形永磁直流电机定位力矩的抑制 测量结果记录在表32 ，采用交换配件方法以减少工序装配误差。 表3 2 测量结果 测量值 定位力矩p - p定位力矩p - p 冲片类型充磁方式辅助凹槽方式 值( m n m ) 值( g f - c m ) 11 0 7 0 0i nt e r n a ln o1 3 81 4 0 6 21 0 7 0 0i n i e f n a llc e n1 6 61 6 9 2 31 0 7 0 0 1 】t e r n a l21 5 d e g1 3 9 1 4 1 6 41 0 7 0 0i nt e r n a l22 0 d e g1 2 51 2 7 4 51 0 7 0 0t nt e r n a l 2 - 3 0 d e g 1 3 51 3 7 6 6 1 0 7 0 0s ln o1 4 31 4 5 7 71 0 7 0 0s 1lc e n1 8 21 8 5 5 81 0 7 0 0s 1 2 一1 5 d e g 1 41 4 2 7 9 1 0 7 0 0s l22 0 d e g1 2 4 1 2 6 4 1 01 0 7 0 0s l2 3 0 d e g 1 41 4 2 7 1 11 0 7 0 0s 2n o1 7 11 7 4 2 1 21 0 7 0 0s 21c e n2 0 92 1 3 0 1 31 0 7 0 0 s 221 5 d e g1 6 1 6 3 0 1 41 0 7 0 0s 2 2 - 2 0 d e g 1 5 21 5 4 9 t 51 0 7 0 0s 2 2 - 3 0 d e g 161 6 ，3 0 1 61 1 8 0 5i n t e ln a ln oo 6 76 8 3 1 71 1 8 0 5i n t e h a lc e n09 29 3 7 1 81 1 8 0 5i nt e r n a l 2 1 5 d e g 0 4 4 4 4 8 1 91 1 8 0 5i nl erh a 2 - 2 0 d e g o 7 77 8 5 2 01 1 8 0 5i n t e rr m 2 - 3 0 d e g 1 71 7 3 2 2 l1 1 8 0 5s 1n oo 7 57 6 4 2 21 1 8 0 5s l1c e no ，9 19 2 7 2 31 1 8 0 5s 1 2 一1 5 d e g 0 5 25 3 0 2 41 1 8 0 5s 1 2 - 2 0 d e g o 8 8 8 9 7 2 51 1 8 0 5s 123 0 d e g1 9 72 0 0 7 2 61 1 8 0 5s 2n oo 7 67 7 4 2 71 1 8 0 5s 21c e n 1 0 6 1 0 8 0 2 81 1 8 0 5s 22 1 5 d e g o 5 35 4 0 2 91 1 8 0 5s 2 2 - 2 0 d e g o 8 l8 2 5 3 0 1 1 8 0 5s 223 0 d e g20 3 2 0 6 9 4 5 东南火学工程硕士学位论文 34 2 测量结果与仿真结果比较 仿真结果与实验结果基本相似，仿真结果给出变化趋势，但足二者数值上存在差异。 仿真结果与实验结果存在误幕的分析：通常仿真结果要小于实验结果。主要的原因在于：通