基于ANSOFT的永磁同步伺服电机齿槽转矩分析.docx

第 32 卷 第 4 期佳 木 斯 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )Vol 32No 4 2014年 07 月Journal of Jiamusi University ( Natural Science Edition)July2014文章编号: 1008 1402( 2014) 04 0559 04基于 ANSOFT 的永磁同步伺服电机齿槽转矩分析黄金霖1 ， 易靓2 ， 曹光华1( 1 安徽机电职业技术学院电气工程系，安徽 芜湖 241000; 2 江西理工大学电气工程与自动化学院，江西 赣州 341000)摘要: 齿槽转矩是永磁电机的固有属性，引起电机的转矩波动，产生振动和噪声 为减小齿槽 转矩，提高永磁伺服电机的控制精度，在研究永磁电机齿槽转矩产生机理的基础上，根据永磁电 机齿槽转矩的解析式，研究定子齿部开辅助槽和转子磁极偏移对永磁电机齿槽转矩的影响; 利用 有限元软件 ANSOFT，建立 36 槽 8 极永磁伺服电机的有限元分析模型，计算不同尺寸辅助槽和 磁极偏心距离时的齿槽转矩，分析辅助槽尺寸和磁极偏心距离对齿槽转矩的影响 研究结果表 明，合理的辅助槽尺寸和磁极偏心距离可有效削弱永磁伺服电机的齿槽转矩关键词: 齿槽转矩; 磁极偏心; 辅助槽; 永磁电机中图分类号: TM303 文献标识码: A随着矢量控制算法、电力电子器件和计算机 控制技术的不断发展，永磁伺服电机的应用越来越 广 在数控机床、小型机器人、机械传动设备以及混 合电动汽车等领域，永磁伺服电机已经代替传统的 异步电机和直流电机，成为许多领域必不可少的传其中，0 是空气磁导率根据式( 1) 、( 2) 以及气隙磁密随着电机定转 子相对位置角和沿气隙切向不同位置分布的解析 表达式，得到齿槽转矩的表达式为:动设备1T= 1 2LFe ( 2 2 )rnG B sinnz永磁伺服电机结构与普通异步电机相比，转子永磁体取代了传统的转子绕组，转子永磁体的存cog20B dV = 421 n = 1nz0n 2p( 3)在，使得电机的效率和功率密度高; 与此同时，转子 永磁体与定子槽相互作用，产生齿槽转矩，使得电 机转矩波动增加，产生振动与噪声，影响伺服电机 的控制精度 齿槽转矩是永磁电机特有的属性，因 此，怎样减小永磁电机的齿槽转矩成为相关专家学 者研究的重点之一21 齿槽转矩产生机理齿槽转矩是永磁电机固有属性，是指电机空载 运行时，永磁体磁极和定子铁心之间的相互作用而 产生的转矩 它体现了磁极与电枢槽口之间相互作 用力的切向分量的波动3根据其定义，可得出齿槽转矩的计算表达式如下:T= Wcog气隙与永磁体磁场中的能量又可以表示为:由式 3 可知，永磁电机的齿槽转矩随着定子槽数、永磁体的尺寸、极弧系数等值的变化而变化，式3 为齿槽转矩的削弱提供了理论研究依据42有限元模型的建立2 1电机结构本文设计一台 36 槽 8 极永磁同步伺服电机， 以此 为 研 究 对 象，利用有限元分析软 件 Ansoft Mawell 14 0，研究定子齿开辅助槽、磁极偏移对永 磁同步伺服电机齿槽转矩的影响，提出减小齿槽转 矩的一些方法 电机的技术指标和具体尺寸分别如 表 1，2 所示根据主要尺寸，建立电机的有限元分析模型， 120W = Wair + WPM = 2 B dV( 2)如图 1 所示 电机由定子铁芯、定子绕组、永磁体、收稿日期: 2014 04 30基金项目: 国家自然科学基金青年基金项目( 51267006) ; 江西省自然科学基金项目( 20122BAB206031) 作者简介: 黄金霖( 1988 ) ，女，江西赣州人，硕士研究生，助教，研究方向: 永磁电机的设计与分析560佳 木 斯 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )2014 年转子铁心和转轴等部分组成; 永磁同步伺服电机对 控制精度的要求较高，为减小电机的转动惯量，采 用转子开减重孔的结构表 1永磁同步伺服电机的技术指标对永磁体的磁动势和磁导分别进行傅里叶分 解，得到:( ) = n cos( kQ)( 5)nF2 ( ， ，l) =f cos2pv( )( 6)额定功率 / kW4 5额定电压 / V 220额定转速 / rpm3000额定转矩 / N m14 33表 2电机的主要尺寸0 v0v式中 0 为永磁电机中，定子某齿的中心轴线与磁极中心线的的初始角度， 是磁极与某固定定定子外径122 3mm转子外径78mm定子内径80mm转子内径30mm定子槽数36磁极对数4减重孔个数8气隙长度 / mm1子齿相差的角度; Q 为定子槽数，p 为磁极对数，n 为 第 n 次磁导谐波幅值，fv 为第 n 次磁动势谐波幅值将式( 5) ，( 6) 带入式( 2) 中得到:n12Tcog = 式中，D4 D ln fn I0 cosncos( 0 ) d ( 7)枢直径，n 为定子槽数 Q 与磁极对数 2p图 1 电机结构图2 2空载磁场分布建好模型后，确定合适的求解场，分配正确的 材料属性，施加边界条件，选择合适的激励源方式， 确定所需的时间步长，得出电机的空载磁通分布如 图 2 所示图 2 永磁同步伺服电机空载磁通分布图 网格剖分时应注意，齿槽转矩的大小受网格剖分的 影响较大，应该精确剖分电机的 band 和气隙部分3定子齿开槽减小齿槽转矩由磁路的基础知识，永磁体的磁导为 0 a 电的最小公倍数 由式( 7) 可知，只有当磁动势的谐波次数与磁导的谐波次数相同时，永磁电机才会产 生齿槽转矩; 且随着谐波次数的增加，与之对应的 磁势谐波与磁导谐波幅值随之减小，则齿槽转矩也 减小，当在每个定子齿上开 m 个槽，相当槽数由 Q 增 加 为 ( m + 1) Q， 则 当 LCM( ( Q + 1) m，2p) / LCM( Q，2p) 不等于 1 时，就增加了基本齿槽 转矩次数，则降低了齿槽转矩，其中 LCM( Q，2p) 为 Q 与 2p 的最小公倍数文献 5 研究表明，定子齿开辅助槽可有效的减 小永磁伺服电机的齿槽转矩，达到减小电机的振动 和噪声的目的5 开辅助槽时，应注意辅助槽的间 隔相等，大小相等，均匀分布在定子齿上图 3 不同结构的辅助槽3 1 辅助槽槽型对齿槽转矩的影响辅助槽的形状和电机的定转子槽一样，也可以 选择不同的槽型结构，确定具体槽型尺寸的前提 下，分别选取不同的槽型结构( 三角形槽、矩形槽、 圆形槽) ，如图 3 所示 对其进行有限元分析，分析不 同槽型结构对永磁同步伺服电机齿槽转矩的影响三种 辅助槽型尺寸分别为矩形槽槽宽为 1mm，槽深为 0 4mm; 三角形槽的槽宽为 2mm，槽 深为 0 8mm; 圆形槽的半径为 0 5mm 得到的齿槽h( ) =m( 4)+ g( )转矩波形图如图 4 所示第 4 期黄金霖，等: 基于 ANSOFT 的永磁同步伺服电机齿槽转矩分析561图 4 不同槽型结构的齿槽转矩波形由图 4 可知，不同槽型的辅助槽，永磁电机齿 槽转矩幅值的大小不同 其中，矩形槽降低齿槽转 矩的效果最好，圆形槽次之，三角形槽最差图 5 槽口宽度对齿槽的影响图 6 槽深对齿槽转矩的影响3 2辅助槽尺寸对齿槽转矩的影响定子齿开辅助槽虽可有效减小永磁电机的齿 槽转矩，但辅助槽的尺寸对齿槽转矩有较大影响， 选择合适的尺寸可以进一步减小永磁电机齿槽转 矩6; 若槽口和槽深选择不当，反而会增大电机的 齿槽转矩建立定子齿开矩形槽的永磁同步伺服电动机 有限元分析模型，研究不同辅助槽型尺寸对电机齿 槽转矩的影响，得出齿槽转矩波形图 图 5 与图 6 给出了辅助槽的槽口宽度和槽深，对电机齿槽转矩 的影响由图 5、6 可知，永磁电机的齿槽转矩随着辅助 槽槽口宽度的增大先增大后减小再增大，当辅助槽 槽口的宽度为 0 6mm 时，即为定子槽口宽度的一 半时，齿槽转矩达到最小值; 齿槽转矩随着辅助槽 槽深的增大先减小后增大，当辅助槽深为 0 4mm 时，齿槽转矩达到最小值此外，开辅助槽时，辅助槽要均匀的分布在电 枢齿上，辅助槽的槽口宽度和槽深要选取合适，太 深会导致齿部磁密过大，太浅达不到明显的效果图 7 磁极偏心结构图 8 偏心电机的齿槽转矩波形图 9 偏心电机的空载反电势波形4磁极偏心对齿槽转矩的影响开辅助槽虽可有效的降低齿槽转矩，但加工难 度较高，而且定子齿开辅助槽会产生高次谐波，有 些场合对电机的控制精度要求很高，开辅助槽一般 不能满足需要 对于表面式结构的永磁伺服电机，562佳 木 斯 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )2014 年还可以采用磁极偏心的结构来减小永磁电机的齿 槽转矩7，8不采用采用偏心磁极的结构时，其气隙径向磁 密为 hm ( 1) 定子齿部开辅助槽可有效减小永磁电机 的齿槽转矩; ( 2) 辅助槽型的形状影响齿槽转矩的 大小，其中矩形槽的效果最好，三角形槽最差; ( 3 ) 辅助槽的尺寸影响齿槽转矩的变化，随着辅助槽深 度的增加，齿槽转矩的幅值先减小，后增大; 随着辅B( ) = Br ( )( 8)hm + g( )助槽槽口宽度的增大，齿槽转矩先增大，再减小，最采用偏心磁极的结构时，永磁电机的永磁体内外径不同心( 如图 7 所示) ，外圆的圆心为，半径为 o1 ，内圆的圆心为，半径为 o2 O1 和 O2 之间的距 离为永磁体的偏心距离，用 h_px 表示其气隙磁密的径向分布为:后增大; ( 4 ) 在保证永磁伺服电机性能的条件下，采用磁极偏心的结构可有效的降低永磁电机的齿槽 转矩参考文献: h_px h_px 1 刘细平，郑爱华，王晨 偏心与此同步伺服电动机优化设计 B( ) = Br ( )h_px + g( ) = Br ( )hm + g( )J 微特电机，2012，40( 10) : 23 252 Kyu Yun Hwang，Hai Lin，Se Hyun hyu A Study on the Novelr= h_pxB ( )hm hmhm + g( )hm= Br ( ) h + g( )m( 9)Coefficient Modeling for a Skewed Permanent Magnet and Over- hang Structure for Optimal Design of Brushless DC MotorJ IEEE Transactions on Magnetics，2012，48( 5) : 1918 1923由公式( 3) 和( 9) 可知，当 o1 和 o2 等参数不变时，永磁电机齿槽转矩的大小只与气隙磁密的分布有关，因此只要改变磁极形状，使得相应的径向 磁密分布减小，就可减小齿槽转矩9，10建立偏心永磁伺服电机的有限元分析模型，分析磁极偏心的距离对齿槽转矩的影响，如图 8 所 示 图 9 是磁极偏心时，电机空载反电势的波形图由图 8 可知，磁极偏心距离 h_px = 15mm 时， 电机的齿槽转矩达到最小值; 由图 9 可知，改变磁 极的偏心距离，电机空载反电势的大小基本不变， 波形正弦性保持较好 因此，合适的磁极偏心距离 可有效削弱永磁电机的齿槽转矩5结论本文在研究齿槽转矩解析式的基础上，采用有 限元分析的方法，提出减小齿槽转矩的一些方法， 研究表明:3 王秀和 永磁电机M 2 版 北京: 中国电力出版社，20074 王秀和，丁婷婷，杨玉波 自起动永磁同步电动机齿槽转矩的 研究J 中国电机工程学报，2005，25( 18) : 166 1705 夏加宽，于冰 定子齿开槽对永磁电机齿槽转矩的影响J 微电机，2010，43( 7) : 13 166 罗宏浩，廖自力 永磁电机齿槽转矩的谐波分析与最小化设 计J 电机与控制学报，2010，14( 4) : 36 407 杨玉波，王秀和，张鑫等 磁极偏移削弱永磁电机齿槽转矩方 法J 中国电机工程学报，2006，21( 10) : 22 258 Zhu Z Q Evaluation of Superposition Technique for CalculatingCogging Torque in Permanent Magnet Brush Less MachinesJ IEEE，Trans on magnetics 2006，42( 5) : 1597 16039 Nakamura K，Fujimoto H，Fujitsuna M Torque ipple Suppres- sion Control for Pm Motor with Current Control based on PTC In: Proc 0f Power Electronics Conference ( IPEC ) ，Sapporo， 2010: 1077 108210 杨玉波，王秀和，丁婷婷 基于单一磁极宽度变化的内置式 永磁同步电 动 机 齿 槽 转 矩 削 弱 方 法J 电 工 技 术 学 报， 2009，24( 7) : 41 45Cogging Torque Analysis of Permanent Magnet SynchronousMotor Based on ANSOFTHUANG Jin lin1 ， YI Liang2 ， CHAO Guang hua1( 1 Department of Electrical Engineering，Anhui Technological College of Machinery and Electricity，Wuhu 241000，China; 2School of Electrical Engineering and Automation，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China)Abstract:Cogging torque could cause the motors torque ripple occurred，and lead to mechanical vibration and acoustic noise In order to weaken the PMSMs cogging torque and improved control precision，this paper based on the study of