分析永磁伺服电机转子偏心对于电机性能的影响
永磁伺服电机转子偏心对电机性能的影响研究
永磁伺服电机转子偏心对电机性能的影响研究孔汉;刘景林【摘要】In order to study the influence of the rotor eccentricity on the permanent magnet servo motor performance, the 14kW two dimensional electromagnetic field model of the permanent magnet servo motor usingin cigarette automation equipment was established. The basic assumption and the boundary condi-tions were also given. Using by the finite element method, the influence of the rotor eccentricity on the air gap flux density was studied, and therewith, the variation of the air gap flux density was discovered with different rotor eccentricity conditions. The calculation results and test data were also compared. Based on the analysis of the air gap flux density, the influence of the rotor eccentricity the output torque and the rotor eddy current losses was further studied, and the variation of the output torque and rotor eddy current losses was analyzed when motor operates in static rotor eccentricity condition, dynamic rotor ec-centricity and in different degree levels of the rotor eccentricity. And then the variation mechanisms were observed, which could provide some theoretical basis for further studying on permanent magnet servo mo-tor.%针对永磁伺服电机转子偏心对电机综合性能的影响，以一台14 kW卷烟自动化设备永磁伺服电机为例，建立了电机二维电磁场数学模型，给出了求解域以及相应的边界条件；采用有限元计算方法，计算分析了永磁电机转子偏心对气隙磁场的影响，给出了转子偏心影响气隙内谐波磁场的变化规律，并与部分实测数据进行了对比。
不同转子结构对永磁交流伺服电机弱磁特性影响
不同转子结构对永磁交流伺服电机弱磁特性影响莫为;汪梅;莫会成【摘要】该文探究了表贴式与内置式两种典型的永磁转子结构对永磁交流伺服电机的弱磁特性影响,推导了电压极限曲线中心位置在电流极限圆内、外电机输出最大机械与功率特性的变化规律.研究对象以弱磁基速点为分界点,在该点以下功率以直线规律上升且均能恒转矩运行;在该点以上,表贴式与内置式结构电机转矩分别呈下降趋势与先上升至最大点后再下降的趋势.电压极限曲线中心位置处于电流极限圆内与圆外时,功率继续上升至最大点之后分别呈最大恒功率运行状态和快速下降趋势,并证明弱磁运行最大输出功率大于传统的弱磁运行恒功率值.该文的分析推导与实验结果相一致,为永磁交流伺服电机弱磁运行时的特性分析提供了较为详实的理论基础.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2018(033)0z1【总页数】10页(P89-98)【关键词】永磁交流伺服电机;弱磁控制;机械特性;功率特性【作者】莫为;汪梅;莫会成【作者单位】西安微电机研究所西安 710077;西安科技大学电气与控制工程学院西安 710054;陕西科技控股集团西安710077【正文语种】中文【中图分类】TM351永磁交流伺服电动机具有体积小、效率高、可靠性强及很高的转矩惯量比等优异特性，被广泛用于新能源电动汽车与工业驱动领域[1]。
为了达到更高的转速与效率，多采用弱磁控制策略。
弱磁控制不仅能解决母线电压受限制及电机旋转转速高于额定转速的矛盾，同时，又能保证电机低速时的各项性能指标[2]。
国内、外诸多学者与研究机构已开展了大量关于转子结构对永磁交流伺服电机弱磁特性影响的研究。
S. Morimoto教授最早奠定了永磁交流伺服电机弱磁的基本理论，给出了基本弱磁轨迹，区分了电机工作区域，并优化了轨迹公式。
美国国家橡树岭实验室与日本电机工程实验室分别提出了无刷混合励磁与多层永磁体结构励磁的理论与设计方案，总体上提升了弱磁扩速范围，改善了电机弱磁运行时电流过大的去磁影响，提高了电机弱磁运行效率。
永磁体实际形状及充磁偏差对永磁无刷电机空载反电动势的影响
永磁体实际形状及充磁偏差对永磁无刷电机空载反电动势的影响来源：《磁性行业资讯》2013第10期| 作者：| 时间：2013-11-25摘要：本文在Ansoft Maxwell 2D v14中建立某6p9s永磁无刷电机不同磁钢形状及充磁偏差模型，通过仿真波形得出了不同磁钢形状及充磁偏差对电机反电动势的影响。
一、引言理论上，径向充磁永磁体能够产生宽度180°的方波反电动势，但受永磁体实际形状以及充磁不均匀的影响，实际径向充磁永磁无刷直流电机的空载反电动势为梯形波。
由两相导通六状态控制方式可知，反电动势的平顶宽度至少要达到120°。
而当平顶部分宽度不够，在方波电流的作用下将会产生电磁转矩脉动，最终引起电机的振动和噪声。
因此，有必要讨论实际磁刚形状及充磁偏差对反电动势波形的影响。
理想的径向充磁永磁体的极弧宽度接近180°，但实际上多采用平行边切割，极弧宽度自然小于180°。
另外实际永磁体多采用等径切割，因此永磁体的径向内侧和径向外侧并不是平行的，这都会影响到实际极弧系数的大小并最终影响反电动势势波形。
另外，永磁体在实际充磁时会遇到许多问题，特别是径向充磁由于对充磁头的设计要求较高，些许偏差都会影响到实际充磁方向进而影响反电动势波形，本文对实际充磁中可能产生的充磁中心便宜以及不均匀也进行了讨论。
二、实际永磁体形状的影响受加工工艺的影响，实际永磁体采用平行边等径切割，即保持永磁体的两侧相平行，而刀具的切割半径相同，只是切割中心点不同，这样就会造成永磁体的两个径向面不平行。
实际转子设计时，为了给永磁体提供定位，往往会在转子冲片上留出凸缘，这会进一步拉大两块永磁体的间隔，进而影响实际极弧系数。
为了对上述讨论的实际永磁体形状的影响进行评估，以6极9槽永磁无刷电机为例，在Ansoft Maxwell 2D v14中建立建立一对极仿真模型如图1，图中的永磁体部分分别采用三种永磁体如图2。
永磁同步电机转子角度偏差对驱动系统性能的影响
在 转 子 铁 心 的 外 表 面 上 ，这 类 电 机 的 优 势 在 于 动 静 态 特性优良。
内置式永磁同步电机的永磁材料填装在转子铁心 的 内 部 ，外 部 由 定 子 铁 心 内 圆 和 极 靴 提 供 保 护 ，在 机 械 强度方面具有较大的优势。
结 合 转 子 角 度 偏 差 为 15°的 情 况 ， 基 于 永 磁 同 步 电 机 在 不 同 转 速 下 的 电 流 、电 压 极 限 圆 ，以 及 电 磁 转 矩 为 7.7 N n 、15 N *m 时 等 转 矩 曲 线 可 知 ， 电 流 极 限 圆 存 在 一 致 性 ，电 压 极 限 圆 和 等 转 矩 曲 线 出 现 旋 转 ，旋 转 角 度 和 转 子 角 度 偏 差 值 近 似 3。基 于 以 上 分 析 可 以 断 定 ，一 旦 出 现 转 子 角 度 偏 差 ，永 磁 同 步 电 机 的 整 体 运 行
Driving System Performance
永 磁 同 步 电 机 广 泛 应 用 于 节 能 控 制 、机 械 加 工 及 伺 服 控 制 等 领 域 ，具 有 高 效 节 能 、功 率 密 度 高 及 控 制 性 能 强 等 特 点 、 在 永 磁 同 步 电 机 运 行 过 程 中 ，需 要 对 其 转 子 位 置 进 行 动 态 检 测 ，其 中 . 角 度 检 测 精 度 对 系 统 性 能有显著影响。
2 转子角度偏差对驱动系统稳态性能的影响
逆 变 器 是 永 磁 同 步 电 机 的 驱 动 机 构 ，逆 变 器 的 容 量 决 定 馈 电 能 力 ，由 此 ，定 子 电 流 存 在 上 限 。 永 磁 同 步 电机的电流上限同时还受电力电子器件过流能力的影 响 ，整 流 器 输 出 的 直 流 母 线 电 压 则 约 束 逆 变 器 提 供 的 电压幅值。为研究逆变器约束条件下转子角度偏差对 系 统 性 能 的 影 响 ，结 合 无 转 子 角 度 偏 差 时 5 相 永 磁 同 步 电 机 而 坐 标 系 下 定 子 约 束 方 程 、忽 略 定 子 电 阻 时 电 压约束方程，以及有转子角度偏差时三相永磁同步电 机 如 坐 标 系 下 定 子 约 束 方 程 、忽 略 定 子 电 阻 时 电 压 约 束 方 程 ，绘 制 而 坐 标 系 下 的 电 流 和 电 压 极 限 圆 ，然 后 结 合 永 磁 同 步 电 机 驱 动 系 统 的 具 体 参 数 进 行 分 析 。永 磁同步电机驱动系统参数见表i
转子异常对发电机的影响
上的定性分析带来方便。2）不平衡磁拉力使系 统的涡动频率下降，并且使运动的中心发生变化； 不平衡磁拉力会引起两倍转频的振动。3）当有 不平衡磁拉力时，系统涡动频率接近
转子的不平衡磁拉力水轮发电机转子偏心产生的 磁拉力作用在最小间隙处。为了便于理论上定性 分析磁拉力引起的振动，在最小二乘意义上所示 的非线性关系，把描述转子运动的坐标
系取在转解发电机 转子支撑于上导、下导（或水导）处。作用在转 子上的合外力，包括不平衡磁
界转速下降为2513r/min，与理论分析的结论相 同。磁拉力使转子的运动中心发生偏离。无磁拉 力时，试验模型振动频率只有转频，没有其它谐 波，而有磁拉力时，除了转频
以外，明显地出现了2倍转频的分量。以上的实 验结果与理论分析十分吻合。小结通过理论分析 和模拟试验得出如下结论。1）非线性关系近似 描述不平衡磁拉力是合理的，可对理论
涡动频率应远大于转速频率，即使考虑了磁拉力 也应如此，系统将出现2倍工作转速的共振。系 统的稳态响应当系统受到初始干扰后，其响应中 含有多种谐波分量。对于实际的振动系
统，与系统涡动频率相关的振动项，由于阻尼的 存在，随着时间的增长将被衰减，因此主要考虑 那些与转速频率相关项的稳态响应，若系统没有 初始偏心系统的振动只是由转频下不平
衡质量所引起，其振动中心为起始原点。当系统 存在初始偏心（δ0≠0）时，由于非线性的作用， 不仅使转频下的振幅发生变化，还出现了两倍转 频的振动，并且系统的振动中心也
产生偏移。模拟试验转子试验模型对不平衡磁拉 力的影响做了模拟试验，用一块永久磁铁来模拟 静止磁拉力。无磁拉力时，轴系临界转速为 2694r/min，有磁拉力时转子的临
拉力和质量偏心造成的不平衡离心力。考虑到运 动方程的对称性，可采用坐标旋转使θ=π/4，此 时的运动方程为常系数的非线性非自治系统。利 用非线性振动理论的多尺度方法进
永磁牵引电机不同转子结构对电机性能的影响
转子 结构 X1
电抗计算结果 /Ω
Xad
Xd
Xaq
Xq /Xd Xq
V— 0. 1546 0. 3130 0. 4676 0. 8305 0. 9851 2. 1069
VV 0. 1546 0. 3370 0. 4916 0. 8451 0. 9997 2. 0335
表 1 20 kW 样机电抗参数的计算值与试验值对比
计算结果 /Ω
Xd 0. 5394
Xq 1. 1973
试验结果 /Ω
0. 5791
1. 2118
误差对比 /%
6. 855
1. 1965
通过表 1 可知，通过该计算方法求出的电抗参 数与试验值的误差在工程允许范围内，验证了有限 元计算方法的正确性。
力。但是缺点是永磁体用量也会随之增加，双层结 构较单层结构多用了 14. 0% 的永磁材料，三层结构 较双层结构多用了 17. 1% 的永磁材料，三层结构较 单层结构更是多用了 33. 5% 的永磁材料，而且工艺 更加复杂，此外在相同层数结构、相同永磁体用量 的前提下带“—”的转子结构较不带“—”的转子结构 过载能力更好，磁阻转矩利用率也更高（ V—形优于 VV 形； VV—形优于 VVV 形） 。而且使 d、q 轴之间 的电抗差值更大的原因是 Xq 和 Xd 同时减小，Xd 减 小的幅度更大，这样不易于电机弱磁。所以综合以 上优缺点，可以认为 V 形转子和 V—形转子更加适 用于牵引电机。
图 5 等效 q 轴状态下空载气隙磁密波形
图 3 等效 d 轴状态下负载气隙磁密波形
将图 2、图 3 经过谐波分析得到等效 d 轴状态下 空载气隙磁密基波幅值为 0. 8076 T，等效 d 轴状态 下负载气隙磁密基波幅值为 0. 6828 T。
转子静态偏心对低速大转矩永磁电机性能的影响
转子静态偏心对低速大转矩永磁电机性能的影响李东明;张炳义;冯桂宏【摘要】The low-speed high-torque permanent-magnet motors usually cause motor eccentricity due to eccentric load, which directly results in non-uniform distribution of air-gap magnetic flux density. The non-uniformity air-gap magnetic flux density will also cause changes in motor's operating performance. For this purpose, an eccentricity model of rotor is established by ANSYS software, and the models with different eccentricities are calculated. The results show that the odd harmonics of air-gap magnetic flux density is unchanged, the magnetic flux density of even harmonics is increased, and the distortion factor of magnetic flux density harmonics is increased after eccentricity of rotor. The back EMF of motor generally does not change with the eccentricity of rotor. The iron loss of motor is less affected by the increase of rotor eccentric displacement.%低速大转矩永磁电机通常由于偏心负载造成电机的偏心,直接造成电机气隙磁密分布的不均匀.气隙磁密的不均匀又会造成电机运行性能的改变.为此通过ANSYS 软件建立转子偏心模型,对不同程度的偏心模型进行计算.结果表明转子偏心后,气隙磁密的奇数次谐波不变,偶数次谐波磁密增多,磁密谐波畸变率增大.电机反电势基本不随转子偏心改变.电机铁耗受转子偏心距离增加影响不大.【期刊名称】《防爆电机》【年(卷),期】2018(053)003【总页数】3页(P13-15)【关键词】转子静态偏心;气隙磁密;反电势;铁耗【作者】李东明;张炳义;冯桂宏【作者单位】沈阳工业大学,辽宁沈阳 110870;沈阳工业大学,辽宁沈阳 110870;沈阳工业大学,辽宁沈阳 110870【正文语种】中文【中图分类】TM305.10 引言低速大转矩永磁电机具有高效率、高功率因数、低维护量等优点。
转子混合偏心对低速大转矩永磁同步电动机的影响
转子混合偏心对低速大转矩永磁同步电动机的影响张炳义刘振清（沈阳工业大学，沈阳 110870）摘要本文首先分析永磁同步电动机（PMSM）的转子混合偏心形式和偏心成因，然后建立凸极转子混合偏心状态的凸极永磁同步电动机模型进行仿真研究。
研究结果表明，永磁电动机转子混合偏心后，气隙磁密分布变化明显，反电势下降，造成负载电流增加，电动机电磁振动噪声增大；车削电动机转子外圆后反电势进一步减小，负载电流增加，电动机电磁振动噪声变化不显著。
转子结构方面，转子偏心后不平衡磁拉力造成转子循环应力，降低疲劳寿命，车削转子外圆后，削弱不平衡磁拉力带来的转子循环应力，有益于增加电动机的疲劳寿命。
关键词：永磁同步电动机；低速大转矩；转子混合偏心；振动噪声；疲劳寿命Influence of hybrid eccentricity of rotor on low-speed and high-torquepermanent magnet synchronous motorZhang Bingyi Liu Zhenqing(Shenyang University of Technology, Shenyang 110870)Abstract This paper analyzed the hybrid eccentric form and eccentricity of the permanent magnet synchronous motor (PMSM). Then the performance of the salient-pole permanent magnet synchronous motor model with rotor hybrid eccentricity is studied. The research results show that after the eccentric permanent magnet motor rotor is hybrid eccentric, the air gap magnetic density distribution changes obviously, the back electromotive force decreases, the load current increases, and the electromagnetic vibration noise increases. After turning the outer circumference of the rotor, the back electromotive force decreases, the load current increases, and the electromagnetic vibration noise is not significantly changed. In terms of rotor structure, the unbalanced magnetic pull force generated by the eccentric rotor causes cyclic stress, which reduces the fatigue life of the motor. After turning the outer circle of the rotor, the cyclic stress is weakened, which is beneficial to increase the fatigue life of the motor.Keywords：permanent magnet synchronous motor; low-speed and high torque; hybrid eccentricity of rotor; vibration noise; fatigue life低速大转矩永磁同步电动机，由于其优良的性能和简单的传动系统被广泛应用于工业驱动系统中[1]。
大型永磁风力发电机静态偏心故障分析与诊断研究
generator fault and its own characteristics, this paper chooses to use the fault characterization characteristic to design the early fault diagnosis scheme. Based on the analysis of the stator current signal under the eccentric fault and the MATLAB toolbox, the stator current under different eccentricity is decomposed by fast Fourier decomposition, and the eccentric fault diagnosis is obtained by comparing the amplitude of the power spectrum. To achieve the classification of eccentric fault and the degree of eccentricity to determine the completion of large-scale permanent magnet wind turbine static eccentric fault early diagnosis to ensure the stable operation of wind turbine.Keywords:Eccentricity; permanent magnet wind turbine; fault diagnosis; air gap flux density;目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1研究背景及意义 (1)1.2本领域的研究现状 (3)1.3本文研究内容及章节安排 (6)第2章相关理论基础 (7)2.1直驱永磁风力发电机的特点 (7)2.2直驱永磁风力发电机的故障类型 (8)2.2.1气隙偏心故障分类 (8)2.2.2气隙偏心的原因 (10)2.3气隙偏心故障风机受影响变化参量 (10)2.3.1气隙磁密和不平衡磁拉力 (10)2.3.2涡流及铁心损耗 (11)2.4分析工具 (11)2.4.1电磁场基本理论[27] (12)2.4.2 有限元分析方法及Ansoft分析软件 (15)2.5气隙偏心故障诊断方法 (16)2.6本章小结 (16)第3章偏心故障下风力发电机特征研究 (17)3.1大型永磁风力发电机转子偏心模型的建立 (17)3.2气隙磁密和磁拉力分析 (20)3.2.1正常情况下气隙磁密和磁拉力 (20)3.2.2偏心故障下的气隙磁密和磁拉力 (21)3.2.3仿真验证 (23)3.3偏心对损耗及感应电势的影响 (29)3.3.1永磁发电机的定子损耗 (29)3.3.2永磁发电机的转子损耗 (33)3.3.3转子偏心对损耗的影响 (34)3.3.4正常情况下感应电势 (35)3.3.5转子偏心对感应电势的影响 (35)3.4 本章小结 (36)第4章偏心故障诊断 (37)4.1故障检测与诊断方法选择 (37)4.2 故障信号提取 (39)4.3故障信号分析方法 (41)4.3.1故障信号采集 (41)4.3.2常规估计方法 (42)4.3.3参数功率谱估计 (42)4.4故障决策与仿真验证 (43)4.5 本章小结 (47)第5章总结与展望 (48)5.1工作总结 (48)5.2工作展望 (48)致谢 (50)在读期间发表论文清单 (51)在读期间参与项目 (51)参考文献 (52)第1章绪论1.1研究背景及意义能源是经济发展和社会进步的基础，世界能源面临资源紧缺的威胁，气候变化和环境污染问题也逐渐严重。
实心圆柱式永磁同步电机转子偏心气隙磁场的空间和频率特性
实心圆柱式永磁同步电机转子偏心气隙磁场的空间和频率特性张岩岩;周健;耿海鹏;虞烈【摘要】针对两极平行充磁实心圆柱式永磁同步电机(SCPMSM),分析转子偏心对气隙磁场空间和频率特性的影响.通过引入转子静态偏心和动态偏心磁导修正系数,建立了转子偏心气隙磁场的数学模型,分析了空载和负载情形下转子静态偏心以及动态偏心气隙磁场的空间和频率特性.以1台2极12槽SCPMSM为例,对转子偏心气隙磁场特性进行了有限元分析,验证了理论分析的正确性.【期刊名称】《电机与控制应用》【年(卷),期】2018(045)012【总页数】7页(P60-65,92)【关键词】实心圆柱式永磁同步电机;两极平行充磁;转子偏心;气隙磁场;空间特性;频率特性【作者】张岩岩;周健;耿海鹏;虞烈【作者单位】西安交通大学机械工程学院,陕西西安710049;西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室,陕西西安710049;西安交通大学机械工程学院,陕西西安710049;西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室,陕西西安710049;西安交通大学机械工程学院,陕西西安710049;西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室,陕西西安710049;西安交通大学机械工程学院,陕西西安710049;西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室,陕西西安710049【正文语种】中文【中图分类】TM341;TM3510 引言永磁电机是电机领域的研究热点，在节能减排大背景下，其具有效率高、性能好、轻型化等优点。
在电机制造、装配以及运行的过程中，转子偏心造成圆周气隙分布不均匀，引起不平衡磁拉力，导致电机的振动、噪声、转矩脉动等问题，影响电机的稳定运行，严重时可能导致电机失效。
因此，对永磁电机转子偏心磁场进行准确计算和分析具有重要的意义。
转子偏心磁场的计算方法主要有正则摄动法[1-2]、保角变换法[3]、子区域法[4]、磁导函数调制[3,5-6]、磁导修正法[7-10]、等效剩磁法[11]、有限元法[12]等。
永磁体磁角度偏差对电机性能影响的分析
永磁体磁角度偏差对电机性能影响的分析永磁体磁角度偏差对电机性能影响的分析永磁体作为电机的核心部件之一，具有较强的磁性能，对电机的性能起到至关重要的作用。
然而，在实际的制造制程中，永磁体的磁角度偏差是难免的。
本文将从永磁体磁角度偏差对电机性能的影响进行分析。
永磁体的磁角度偏差，是指永磁体磁极轴线与转子中心轴线之间的夹角与理论值偏差的差值。
生产制造中，这种角度偏差是常见的。
首先，永磁体磁角度偏差会影响电机的输出功率。
当永磁体磁极轴线与转子中心轴线对齐时，电机能够输出最大功率。
但一旦出现角度偏差，便会降低电机输出功率。
特别是偏差较大时，将会更严重地影响电机输出功率。
因此，永磁体的磁角度偏差需要在制造过程中严格控制。
其次，永磁体磁角度偏差会影响电机的开始转动力矩。
角度偏差越大，开始转动的力矩就越大。
如果永磁体的磁极轴线与转子中心轴线存在较大偏差，将导致电机开始转动的力矩增大，给电机带来额外的负担，可能会导致电机在启动时受力过大。
因此，电机在设计制造中，要尽量减小永磁体磁角度偏差对启动力矩的影响，确保电机在启动时顺畅运行。
最后，永磁体磁角度偏差还会影响电机的转速稳定性。
如果永磁体的磁极轴线与转子中心轴线存在较大偏差，电机的转速会产生波动。
这会导致电机不稳定，可能会在工作过程中产生噪音、振动、温升等问题。
因此，在制造工艺中，必须减小永磁体磁角度偏差，确保电机转速的稳定性。
综上所述，永磁体磁角度偏差对电机性能的影响是显而易见的。
不仅会降低电机的输出功率，还会影响电机的启动力矩和转速的稳定性。
因此，在制造过程中，必须严格控制永磁体的磁角度偏差，确保电机的性能达到最佳状态。
为了更具体地说明永磁体磁角度偏差对电机性能的影响，我们可以列出一些相关数据并进行分析。
数据一：永磁体磁极轴线与转子中心轴线的夹角偏差根据不同制造工艺和电机型号，永磁体磁极轴线与转子中心轴线的夹角偏差范围不同。
一般来说，偏差范围会在1度到10度之间。
「深度」三相永磁同步电机的绕组断线、匝间短路、转子偏心以及永磁体退磁
「深度」三相永磁同步电机的绕组断线、匝间短路、转子偏心以及永磁体退磁【导读】目前用于电动汽车的电机类型主要有有刷直流电机、感应电机、永磁电机等，永磁同步电机具有效率高，功率密度和转矩密度大的优点，是极具发展潜力的电机类型。
但电机的工况恶劣、振动严重、工作环境温度较高等原因使得电机很容易发生故障，其常见的故障有匝间短路、转子偏心和永磁体退磁等。
本文将简要研究分析故障原因和机理，并建立起合适的故障工况下的有限元仿真模型，分析和提取其故障特征，并提出一些能应用于电机早期故障诊断的判断依据。
本文研究分析了三相永磁同步电机的绕组断线故障、匝间短路故障、转子偏心故障以及永磁体退磁故障。
1. 前言随着近年来环境污染和能源短的日益突出，世界各国开始相继重视这两个问题，并提出对策。
永磁同步电机作为一种高性能的交流电机，因其具有体积小，可靠性高，功率因数和功率密度高高，效率高等优点。
永磁同步电机的运行范围很宽，可以在其额定功率数值 25%-120%的范围内保持很高的运行效率，完全能够适应负载变化比较大的场合。
因此，永磁同步电机的发展和推广使用，将能够极大满足当今社会工业对高效电机的需求。
但与此同时，电机作为一个能够实现机电能量之间转换的系统，它的结构是由定子，转子，和轴承等电气系统和机械系统组成，其总体结构较为简单。
但电机工作时，具有复杂的机电能量转换过程，在长期运行中，受供电情况、负载工况和运行环境的影响，某些部件会逐渐失效，损坏。
电机的工作原理都是基于电磁理论，主要由电路（绕组）和磁路（铁芯）两大部分组成，其主要故障类型有绕组断线、绕组过热、匝间短路、绝缘老化、铁芯变形及电机转子偏心等，永磁同步电机因其转子上还装设有永磁体，还可能发生永磁体的不可逆退磁故障，总体来说，电机故障种类繁多，原因复杂。
电机集电气与机械部件于一体，加之处于高速运转状态中，故障征兆呈多样性，既有电气故障特性，又有机械故障特性；既有电气量(电压、频率、电流、功率等)，也有非电气量(热、声、光、气、辐射、振动等)。
低速永磁同步电机转子偏心的抑制措施
第27卷㊀第11期2023年11月㊀电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Electri c ㊀Machines ㊀and ㊀Control㊀Vol.27No.11Nov.2023㊀㊀㊀㊀㊀㊀低速永磁同步电机转子偏心的抑制措施韩雪岩,㊀王勇,㊀高俊(沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心,辽宁沈阳110870)摘㊀要:为了减小低速永磁电机转子偏心对电机性能及结构强度造成的危害,以一台210kW 低速永磁电机为研究对象,建立低速永磁电机转子偏心下的不平衡磁拉力(UMP )模型,基于对模型的分析,提出辅助槽法及车削法两种抑制措施,并对其抑制效果进行计算分析㊂首先,依据静偏心与动偏心的特点,对静偏心下在转子偏向侧开定子辅助槽㊁动偏心下在转子偏向侧开转子辅助槽进行研究,计算分析辅助槽位置㊁槽高㊁槽宽㊁槽数量对偏心下UMP 的影响规律,找出辅助槽最佳尺寸参数,并对其抑制效果进行计算分析㊂其次,对车削法对混合偏心的抑制效果进行计算分析,并校验车削后电机的空载反电动势㊂结果表明,采用定子辅助槽可将静偏心下UMP 减小49.8%,采用转子辅助槽可将动偏心下UMP 减小47.2%,采用车削转子法可将混合偏心下UMP 减小81.95%,抑制效果显著㊂关键词:低速永磁电机;抑制措施;不平衡磁拉力;混合偏心;静偏心;动偏心DOI :10.15938/j.emc.2023.11.007中图分类号:TM351文献标志码:A文章编号:1007-449X(2023)11-0058-08㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2022-06-06基金项目:辽宁省教育厅面上项目(LJKZ0104)作者简介:韩雪岩(1978 ),女,博士,教授,博士生导师,研究方向为特种电机及其控制;王㊀勇(1996 ),男,硕士,研究方向为特种电机及其控制;高㊀俊(1984 ),男,博士研究生,研究方向为永磁电机㊁电机优化设计㊂通信作者:王㊀勇Suppression of rotor eccentricity of low-speed permanent magnetsynchronous motorHAN Xueyan,㊀WANG Yong,㊀GAO Jun(National Engineering Research Center for Rare-earth Permanent Magnet Machines,Shenyang University ofTechnology,Shenyang 110870,China)Abstract :In order to reduce the harm of rotor eccentricity on the performance and structural strength of a low-speed permanent magnet motor,a 210kW low-speed permanent magnet motor was used as the re-search object to establish an unbalanced magnetic pull (UMP)model under rotor eccentricity.Based on the analysis of the model,two suppression measures,auxiliary slot method and turning method,were pro-posed,and their suppression effects were calculated and analyzed.Firstly,based on the characteristics of static eccentricity and dynamic eccentricity,a study was conducted on opening stator auxiliary slots on the rotor deflection side under static eccentricity and opening rotor auxiliary slots on the rotor deflection side under dynamic eccentricity.The influence of auxiliary slot position,slot height,slot width,and slot number on UMP under eccentricity was calculated and analyzed,and the optimal size parameters of auxil-iary slots were found.The suppression effect was also calculated and analyzed.Secondly,the suppression effect of turning method was calculated and analyzed on mixed eccentricity,and the no-load back electro-motive force was verified after turning.The results show that using stator auxiliary slots,UMP under staticeccentricity was reduced by49.8%,using rotor auxiliary slots,UMP under dynamic eccentricity was re-duced by47.2%,and using turning rotor method,UMP under mixed eccentricity was reduced by 81.95%,with significant suppression effect.Keywords:low speed permanent magnet motor;suppression measures;unbalanced magnetic pull;mixed eccentricity;static eccentricity;dynamic eccentricity0㊀引㊀言永磁同步电动机具有效率高[1-3]㊁性能稳定㊁轻型化等优点[4-5]㊂永磁电机由于制造㊁安装不可避免的形位公差以及运行过程中电机出现的磨损会造成电机转子偏心问题㊂转子偏心分为三种:静偏心㊁动偏心㊁混合偏心㊂转子偏心会产生较大的不平衡磁拉力(unbalanced magnetic pull,UMP),会使电机振动噪声增加,严重的会影响电机结构强度,减小电机使用寿命[6-8]㊂因此,对永磁电机转子偏心问题的研究非常重要㊂转子偏心作为永磁电机普遍存在的问题,国内外学者对转子偏心下的不平衡磁拉力㊁气隙磁场解析计算以及偏心故障诊断进行了深入的研究㊂文献[9]提出电机转子和定子的尺寸公差会导致不平衡磁拉力频谱中的附加谐波和特征谐波发生变化,指出在定义偏心检测程序时,必须将其考虑在内㊂文献[10]给出了静态偏心下作用在定转子上力的频率的数学表达式,通过有限元分析和实验验证了表达式的正确性,并研究了定子槽开口㊁绕组㊁永磁体厚度等对静偏心下振动的影响㊂文献[11]提出一种具有三层定子结构的8极12槽多自由度球形永磁电机,用拉普拉斯方法分析了电机转子偏心和不偏心时的气隙磁场,验证了拉普拉斯方法的准确性㊂文献[12]采用矢量磁位推导了永磁电机偏心下空载气隙磁场磁通密度的表达式,建立了一种基于边界摄动法的静态偏心解析模型㊂文献[13]运用解析法推导出转子发生静态偏心和动态偏心时的径向电磁力波解析表达式,经分析表明,静偏心和动偏心会产生不同的新的电磁力波分量㊂因而,提出一种利用振动速度频谱分析的电机偏心的快速诊断方法㊂文献[14]分析了混合偏心对低速大转矩永磁电机的影响,采用车削法改善了气隙磁密分布,降低了转子的疲劳寿命,但并未分析车削后不平衡磁拉力变化情况㊂文献[15]利用定转子辅助槽来抑制在一些特定极槽配合永磁电机中由于磁场不对称产生的不平衡磁拉力㊂以上文献多是采用解析法及有限元法分析偏心对电机的影响以及提出偏心的诊断方法,对偏心抑制措施的研究较少㊂本文提出利用辅助槽及车削法对三种转子偏心的抑制措施㊂通过定子辅助槽㊁转子辅助槽㊁车削法分别对静偏心㊁动偏心㊁混合偏心进行抑制,并对辅助槽数量对UMP的影响规律进行研究,并对车削法对混合偏心的抑制进行分析㊂对采用三种抑制措施下的UMP值进行计算,结果表明,采用抑制措施后,转子偏心下UMP大幅下降,抑制效果显著㊂1㊀低速永磁电机模型本文以一台210kW低速永磁电机为例,电机模型如图1所示,电机基本参数如表1所示㊂图1㊀210kW低速永磁电机模型Fig.1㊀210kW low speed permanent magnet motormodel表1㊀低速永磁同步电动机基本设计参数Table1㊀Basic design parameters of low speed permanent magnet synchronous motor㊀㊀㊀参数数值额定输出功率/kW210极数60额定转矩/(N㊃m)83500定子槽数72定子外径/mm3050定子内径/mm2740气隙长度/mm8转子铁心外径/mm2724转子铁心内径/mm2550转子铁心长度/mm30095第11期韩雪岩等:低速永磁同步电机转子偏心的抑制措施2㊀转子偏心不平衡磁拉力模型静态㊁动态偏心示意图如图2所示㊂图2㊀静态、动态偏心示意图Fig.2㊀Static eccentricity and dynamic eccentricitydiagram当O ᶄ既是转子几何中心也是旋转中心时为静态偏心,当O ᶄ为转子几何中心,O 为转子旋转中心时,为动态偏心㊂混合偏心为静态偏心与动态偏心的叠加,示意图如图3所示㊂图2中:δ为未偏心时气隙长度;ε为转子偏心距离㊂图3中:ε1为静态偏心偏移距离;ε2为动态偏心偏移距离㊂图3㊀混合偏心示意图Fig.3㊀Mixed eccentricity diagram静态偏心气隙长度为δe =δ-εcos(θ-γ)㊂(1)式中:δ为理想情况下有效的气隙长度;ε为转子偏心距离;γ为转子偏心角度;θ为空间角㊂偏心下的气隙磁导分布函数为λe =μ0δe =μ0δ11-εδcos(θ-γ)=μ0δ11-cos(θ-γ)㊂(2)式中:μ0为真空磁导率;e 为偏心率,e =εδ㊂定义静态偏心和动态偏心时的磁导修正系数[1]分别为:㊀㊀E δs =11-e cos(θ-γ);(3)㊀㊀E δd =11-e cos(θ-γ-ω0t )㊂(4)混合偏心气隙长度为δᶄ=δ-ε2(cos θ1+cos θ2)-ε1cos θ1㊂(5)式中:δᶄ为混合偏心时气隙长度;ε1为静态偏心偏移距离;ε2为动态偏心偏移距离;δ为理想状态下气隙长度;θ1为静态偏心气隙位置角;θ2为动态偏心气隙位置角㊂混合偏心时气隙磁导的分布函数为㊀λᶄ=μ0δᶄ=μ0δ11-ε2δ(cos θ1+cos θ2)-ε1δcos θ1=μ0δ11-e 2(cos θ1+cos θ2)-e 1cos θ1㊂(6)定义混合偏心时的磁导修正系数为E δm =11-e 2(cos θ1+cos θ2)-e 1cos θ1㊂(7)永磁电机中,气隙磁通密度表示为B (θ,α)=F (θ,α)λ(θ)㊂(8)偏心下的气隙磁通密度为:㊀B s (θ,α)=E δs F (θ,α)λ(θ);(9)㊀B d (θ,α)=E δd F (θ,α)λ(θ);(10)㊀B m (θ,α)=E δm F (θ,α)λ(θ)㊂(11)由文献[16]可知,任一位置的径向力密度可以表示为p (θα)=μ02B 2(θα)㊂(12)式中μ0为真空磁导率㊂用Cartesian 坐标分析求解,任一位置的局部径向力密度可分解为x 轴分量㊁y 轴分量,表达式为:p x (θ,α)=p (θ,α)cos(θ);p y(θ,α)=p (θ,α)sin(θ)㊂}(13)对局部磁拉力密度进行积分,得到总的磁拉力为:p x (α)=l ʏ2πp x (θ,α)R d θ;p y (α)=l ʏ2πp y (θ,α)R d θ㊂üþýïïïï(14)06电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀将式(9)~式(13)代入式(14)中可得3种偏心下的不平衡磁拉力分别为:p s x (α)=μ0Rl2ʏ2π0[E δs F (θ,α)λ(θ)]2cos θd θ;p s y (α)=μ0Rl 2ʏ2π0[E δs F (θ,α)λ(θ)]2sin θd θ㊂üþýïïïï(15)p d x (α)=μ0Rl2ʏ2π0[E δd F (θ,α)λ(θ)]2cos θd θ;p d y (α)=μ0Rl2ʏ2π0[E δd F (θ,α)λ(θ)]2sin θd θ㊂üþýïïïï(16)p m x (α)=μ0Rl2ʏ2π0[E δm F (θ,α)λ(θ)]2cos θd θ;p m y (α)=μ0Rl2ʏ2π0[E δm F (θ,α)λ(θ)]2sin θd θ㊂üþýïïïï(17)由式(15)~式(17)可以看出,转子偏心下的UMP 与永磁体磁动势以及气隙磁导有关,转子发生静态㊁动态㊁混合偏心时主要引起气隙磁导发生变化㊂因此,本文提出的辅助槽㊁车削法主要是通过改变气隙磁导,从而达到对转子偏心的抑制㊂3㊀抑制措施本节主要研究在转子偏向侧开定子辅助槽㊁转子辅助槽(包括槽位置㊁槽高㊁槽宽㊁槽数量)以及车削法分别对静态㊁动态㊁混合偏心的抑制效果㊂3.1㊀静态偏心抑制措施静态偏心特点为最大㊁最小气隙位置不随转子转动发生改变,因此选择在小气隙侧开定子辅助槽对静态偏心进行抑制,如图4(a)所示㊂辅助槽示意图如图4(b)所示㊂图4㊀定子辅助槽示意图Fig.4㊀Schematic diagram of stator auxiliary slot图4(b)中,h 1为槽高,w 1为槽宽,θ1为槽位置,齿部中线与槽宽中线重合时为0位置,槽宽中线在齿部中线左侧θ1>0,否则θ1<0㊂槽位置㊁槽深㊁槽宽㊁槽数量对静态偏心下UMP的影响如图5~图8所示㊂开辅助槽定会引起空载反电势的变化,因此图5~图8中也给出了空载反电势的变化情况㊂图5㊀槽位置的影响Fig.5㊀Influence of slotposition图6㊀槽高的影响Fig.6㊀Effect of troughheight图7㊀槽宽的影响Fig.7㊀Effect of slot width16第11期韩雪岩等:低速永磁同步电机转子偏心的抑制措施图8㊀槽数量的影响Fig.8㊀Influence of slot number从图5~图8中可以看出,辅助槽在0位置,槽高为1.2mm,槽宽为30mm,槽数量为21个时,对静偏心下UMP 抑制效果最明显㊂辅助槽开在定子齿部中间位置抑制效果最好,槽高㊁槽宽选取的合适才能减小UMP 值㊂随着辅助槽数量增加,UMP 值随之减小,当数量达到21个时,UMP 值逐渐增加㊂槽位置㊁槽高对空载反电动势的影响较小㊂槽宽㊁槽数量的增加对等效气隙长度有影响,因此对空载反电势的影响略显著㊂随着辅助槽宽度及数量的增加,空载反电势值有明显的下降趋势,辅助槽尺寸的选择要充分考虑槽宽㊁槽数量对反电势的影响㊂采用定子辅助槽前后,偏心率为10%的静偏心下UMP 对比曲线如图9所示㊂静偏心下UMP 的最大值由原来的10.38kN 下降到5.21kN,下降了49.8%㊂图9㊀定子辅助槽对静态偏心的抑制效果Fig.9㊀Suppression effect of stator auxiliary groove onstatic eccentricity3.2㊀动态偏心抑制措施动态偏心的特点为最小气隙位置随着转子转动发生改变,因此选择在小气隙处开转子辅助槽对动态偏心进行抑制,如图10(a)所示㊂辅助槽示意图如图10(b)所示㊂图10㊀转子辅助槽示意图Fig.10㊀Schematic diagram of stator auxiliary slot图10(b)中:θ2为槽位置;h 2为槽高;w 2为槽宽㊂槽位置定义与定子辅助槽相同㊂辅助槽尺寸及数量对动偏心下UMP 的影响如图11~图14所示㊂图11㊀槽位置的影响Fig.11㊀Influence of slotposition图12㊀槽高的影响Fig.12㊀Effect of trough height26电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀图13㊀槽宽的影响Fig.13㊀Effect of slotwidth图14㊀槽数量的影响Fig.14㊀Influence of slot number本文研究所用电机转子为分块结构,从图11~图14可以看出,辅助槽位置在每块转子中间位置时,对动偏心下UMP 抑制效果最好㊂槽高为7mm 时,UMP 值最小㊂随着槽宽的增加,UMP 值随之下降,槽宽达到70mm 后,下降趋势减缓㊂考虑到槽宽对空载反电势的影响,本文所研究电机的槽宽选取在70mm 左右最为合适㊂槽数量对空载反电势也有影响,数量增加,反电势值下降㊂因此,对动态偏心下UMP 的抑制要考虑到空载反电势的变化㊂本文所研究电机的槽数量选取在19个最为合适㊂采用转子辅助槽前后,偏心率为40%下的动态偏心的UMP 曲线对比如图15所示㊂采用转子辅助槽后动态偏心下的UMP 最大值由原来的41.9kN 下降到22.1kN,下降了47.2%㊂3.3㊀混合偏心抑制措施混合偏心为静偏心与动偏心的叠加,最大最小气隙位置随转子转动作不规则周期性变化㊂本文采用车削法对混合偏心进行抑制㊂车削法示意图如图16所示㊂图15㊀转子辅助槽对动态偏心的抑制效果Fig.15㊀Suppression effect of stator auxiliary groove ondynamiceccentricity图16㊀车削法示意图Fig.16㊀Schematic diagram of turning method混合偏心时,转子几何中心与旋转中心不重和,以旋转中心为原点作与转子半径相同的圆,如图16中点划线所示,将点划线外的转子部分车削㊂车削转子主要对等效气隙长度有影响,因此对车削后的空载反电势进行计算,转子未发生混合偏心以及发生混合偏心车削前后空载反电势变化情况如表2所示㊂表2㊀空载反电势变化Table 2㊀No load back potential change㊀㊀情况空载反电动势幅值/V转子未偏心217.54转子发生混合偏心215.67车削转子后211.4536第11期韩雪岩等:低速永磁同步电机转子偏心的抑制措施㊀㊀车削转子前后,混合偏心下UMP 曲线如图17所示㊂可以看出,车削后UMP 最大值由原来的76.8kN 下降到13.86kN,下降81.95%㊂图17㊀车削法对混合偏心的抑制效果Fig.17㊀Restraining effect of turning method on mixedeccentricity4㊀结㊀论本文以一台210kW 低速永磁同步电机为例,基于对转子偏心下不平衡磁拉力模型的分析,提出分别针对静偏心㊁动偏心㊁混合偏心的抑制措施 定子辅助槽㊁转子辅助槽㊁车削法㊂对辅助槽尺寸及数量㊁车削转子对偏心下UMP 的影响进行研究,并得出以下结论:1)在转子偏向侧开定子辅助槽可以有效抑制静态偏心产生的UMP,采取抑制措施后静偏心下UMP 值下降49.8%㊂2)在转子偏向侧开转子辅助槽可以有效抑制动态偏心产生的UMP,采取抑制措施后动偏心下UMP 值下降47.2%㊂3)车削转子可以有效抑制混合偏心产生的UMP,采取抑制措施后混合偏心下UMP 值下降81.95%,空载反电势值下降4.22V,在允许范围内㊂参考文献:[1]㊀张岩岩,周健,耿海鹏,等.实心圆柱式永磁同步电机转子偏心气隙磁场的空间和频率特性[J].电机与控制应用,2018,45(12):62.ZHANG Yanyan,ZHOU Jian,GENG Haipeng,et al.Spatial andfrequency characteristics of eccentric air gap magnetic field in rotorof solid cylindrical permanent magnet synchronous motor[J].Mo-tor and Control Applications,2018,45(12):62.[2]㊀魏嘉麟,温旭辉,古蕾,等.实心圆柱式超高速永磁电机建模与极限设计[J].电机与控制学报,2023,27(8):27.WEI Jialin,WEN Xuhui,GU Lei,et al.Modeling and ultimate design of solid cylindrical ultra high-speed permanent magnet mo-tors [J].Electric Machines and Control,2023,27(8):27.[3]㊀温嘉斌,郭晗,荆超,等.电动车用永磁同步电机转子结构对弱磁调速性能分析[J].哈尔滨理工大学学报,2019,24(6):74.WEN Jiabin,GUO Han,JING Chao,et al.Analysis of the rotor structure of permanent magnet synchronous motor for electric vehi-cles on the performance of weak magnetic speed regulation [J].Journal of Harbin University of Science and Technology,2019,24(6):74.[4]㊀郭恩睿,张凤阁,戴睿,等.高速永磁电机的设计与磁热耦合温升计算[J].大电机技术,2020,26(3):2.GUO Enrui,ZHANG Fengge,DAI Rui,et al.Design of high-speed permanent magnet motors and calculation of magnetic ther-mal coupling temperature rise [J].Large Electric Machine and Hydraulic Turbine,2020,26(3):2.[5]㊀董传友,金鹏飞,杨子豪,等.低温高速永磁电机转子屏蔽套设计及强度分析[J].电机与控制学报,2023,27(7):112.DONG Chuanyou,JIN Pengfei,YANG Zihao,et al.Design and strength analysis of rotor shielding sleeve for low-temperature and high-speed permanent magnet motor [J].Electric Machines and Control,2023,27(7):112.[6]㊀付敏,于静,张晗,等.转子偏心对U 型单相永磁同步电机的影响[J].哈尔滨理工大学学报,2018,23(6):63.FU Min,YU Jing,ZHANG Han,et al.The influence of rotor ec-centricity on U-type single phase permanent magnet synchronous motor [J].Journal of Harbin University of Science and Technolo-gy,2018,23(6):63.[7]㊀ITO F,TAKEUCHI K,KOTSUGAI T,et al.A study on asymme-try of electromagnetic force modes of permanent magnet synchro-nous motors with rotor eccentricity[J].IEEE Transaction on Mag-netics,2021,57(2):1.[8]㊀朱海峰,祝长生.转子静偏心时异步电机径向力特性分析[J].机电工程,2013,30(8):984.ZHU Haifeng,ZHU Changsheng.Analysis of radial force charac-teristics of induction motor with stator eccentricity[J].Electrome-chanical Engineering,2013,30(8):984.[9]㊀GALFARSORO U,MCCLOSKEY A,ZARATE S,et al.Influ-ence of manufacturing tolerances and eccentricities on the unbal-anced magnetic pull in permanent magnet synchronous motors [C]//2020International Conference on Electrical Machines,Au-gust 23-26,2020,Gothenburg,Sweden.2020:1363-1369.[10]㊀AGGARWAL A,STRANGAS E G,AGAPIOU J.Analysis of un-46电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀balanced magnetic pull in PMSM due to static eccentricity[C]//2019IEEE Energy Conversion Congress and Exposition,Septem-ber29-October3,2019,Baltimore,MD,USA.2019:4507-4514.[11]㊀LI Zheng,YU Xuze,WANG Xueting,et al.Magnetic field anal-ysis of rotor eccentricity of spherical permanent magnet motor[C]//2020IEEE International Conference on Applied Supercon-ductivity and Electromagnetic Devices,October16-18,2020,Tianjin,China.2020:1-2.[12]㊀仇志坚,李琛,周晓燕,等.表贴式永磁电机转子偏心空载气隙磁场解析[J].电工技术学报,2013,28(3):118.QIU Zhijian,LI Chen,ZHOU Xiaoyan,et al.Analysis of eccen-tric no-load air gap magnetic field of surface mount permanentmagnet motor rotor[J].Transactions of China ElectrotechnicalSociety,2013,28(3):118.[13]㊀李全峰,黄厚佳,黄苏融,等.表贴式永磁电机转子偏心故障快速诊断研究[J].电机与控制学报,2019,23(12):52.LI Quanfeng,HUANG Houjia,HUANG Surong,et al.Rapid di-agnosis of rotor eccentricity fault of surface mount permanent mag-net motor[J].Electric Machines and Control,2019,23(12):52.[14]㊀张炳义,刘振清.转子混合偏心对低速大转矩永磁同步电动机的影响[J].电气技术,2019,8(3):23.ZHANG Bingyi,LIU Zhenqing.Influence of rotor mixed eccen-tricity on low-speed and high-torque permanent magnet synchro-nous motor[J].Electrical Technology,2019,8(3):23. [15]㊀潘振芳,李林.基于辅助槽的永磁电机不平衡磁拉力抑制[J].微电机,2021,54(5):11.PAN Zhenfang,LI Lin.Unbalanced magnetic tension suppres-sion of permanent magnet motors based on auxiliary slots[J].Mi-cromotors,2021,54(5):11.[16]㊀BI Chao,JIANG Quan,LIN Song.Unbalanced-magnetic pull in-duced by the EM structure of PM spindle motor[C]//2005Inter-national Conference on Electrical Machines and Systems,Septem-ber27-29,2005,Nanjing,China.2005:183-187.(编辑:邱赫男)56第11期韩雪岩等:低速永磁同步电机转子偏心的抑制措施。
永磁同步电机位置检测偏差对驱动系统性能的影响研究
永磁同步电机位置检测偏差对驱动系统性能的影响研究王海兵;赵荣祥;汤胜清;杨欢【摘要】永磁同步电机的转子位置检测精度对系统性能具有重要影响,现有机械式位置传感检测精度受传感器本身制造工艺、机械安装工艺、电枢反应等影响,其实际检测过程中存在一个相对确定的角度偏差值.无位置传感控制技术受检测算法、运行状态、电流检测精度和谐波含量、电机本身参数变化和不对称性、逆变器非线性等影响,存在一个相对不确定的角度偏差值.针对这一角度检测偏差对系统的影响,建立存在角度偏差时永磁同步电机的动态数学模型,分析其对电压和电流极限圆的影响.并对系统稳态性能如电机运行效率、稳态电流幅值、铜损、稳定运行区间,和动态性能如转矩响应能力进行了综合的分析和比较.并通过实验结果对上述分析进行定量和定性的验证.%The detection accuracy of the rotor position angle is essential for the permanent magnet synchronous motor (PMSM) control system. Due to the quality of the mechanical sensor, mechanical tolerances and armature reaction, the mechanical position sensor-based methods will always have a relative certain rotor position detection error. Sensorless rotor position estimation accuracy is affected by sensorless observer methods, detection accuracy of current sensor, current harmonic component, inverter nonlinearity, and the parameter variation and asymmetry. Its position estimation error is relative uncertain. The paper focuses on the influence of position errors on the PMSM control system. The mathematical model of the PMSM is established based on the rotor position error. Its impacts on steady state performance are analyzed, such as the current and voltage limit, operating efficiency of the motor, currentmagnitude, copper loss, stable operation region, and dynamic response capability of the electromagnetic torque. Quantitative and qualitative conclusions have been validated by the experiments.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2018(033)004【总页数】9页(P910-918)【关键词】永磁同步电机;转子位置检测偏差;稳定运行区间;无位置传感器控制【作者】王海兵;赵荣祥;汤胜清;杨欢【作者单位】浙江大学电气工程学院杭州 310027;台州学院物理与电子工程学院台州 317000;浙江大学电气工程学院杭州 310027;浙江大学电气工程学院杭州310027;浙江大学电气工程学院杭州 310027【正文语种】中文【中图分类】TM351永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）具有功率密度高、高效节能、控制特性好等显著特点，在电动汽车、伺服控制系统、节能控制等领域受到广泛关注[1-6]。
过盈配合对永磁同步电机性能的影响分析
过盈配合对永磁同步电机性能的影响分析王正祥【摘要】众所周知,电机是整个工业的动力源泉.而对电机性能影响较大的两大因素设计水平和工艺水平中,后者对电机性能的影响已不容忽视.对压缩机用永磁同步电机来讲,为了将定子铁芯固定在压缩机壳体内部,需要采用压入或者热压装配的方法,而压缩机壳体与电机定子铁芯装配时产生的压缩应力对电机性能的影响较大.一方面压缩应力会导致定子内径变形使得定转子间隙不均匀程度和偏心度加剧,进一步使得压缩机噪音恶化.另一方面压缩应力会使得电机铁损中的磁滞损耗变大,铁损变大不仅会使电机效率下降而且还会使得电机效率最高点与设计时的效率最高点产生差异,更有甚者使得电机局部损耗过大导致局部过热影响电机的安全可靠性.本文首先对热套过程中不同的过盈量对电机铁损的影响进行了仿真和测试.然后对缓和压缩应力的结构进行仿真分析和研究.原材料铁损和电机效率实测结果表明,压缩应力使得电机铁芯发生变形对电机铁损产生较大影响,采用塑性形变方法能较好的吸收压应力减小定子的形变量.【期刊名称】《家电科技》【年(卷),期】2017(000)010【总页数】2页(P70-71)【关键词】永磁同步电机;过盈配合;铁损【作者】王正祥【作者单位】广东美芝制冷设备有限公司广东顺德528333【正文语种】中文当前世界各国都在不断制定或修订各自的能效标准和标签标识制度，在国际节能减排形势与国内经济增长的双重压力下，国内节能减排也势在必行。
作为家电细分行业中规模最大的家电支柱产业，空调业必须通过技术升级来顺应节能减排的大势。
其中，以变频空调为代表的节能产品快速发展和新冷媒替代成为重要的技术发展方向[1]。
现在变频压缩机已被广泛使用，而在空调中压缩机的能耗占到80%～90%，压缩机的节能效果将直接决定空调的节能水平[2]。
对压缩机用永磁同步电机来讲，为了将定子铁芯固定在压缩机壳体内部，需要采用压入或者热压装配的方法，而压缩机壳体与电机定子铁芯装配时产生的压缩应力对电机性能的影响较大。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
分析永磁伺服电机转子偏心对于电机性
能的影响
摘要:在一般的情况下，电机偏心通常分为静态偏心与动态偏心。
由于定子或者转子安装不正确等产生静态偏心，而动态偏心是由转子轴弯曲等产生的动态偏心，因为气隙的分布不均，永磁体作用在气隙的磁动势能不同、整个气隙圆周周长是气隙磁导变化的周期，所以肯定会影响气隙磁密的大小以及气隙内部的谐波磁场，这样不但会导致磁场转矩的变化，还会影响电机性能的损耗。
下面的文章简述了永磁伺服电机转子偏心与对于电机性能的影响
关键词：动态偏心与静态偏心；有限元计算；永磁伺服电机
引言：在近代工业生产中，永磁伺服电机拥有着高效、高功率等特点，但由于在实际的生产过程当中，装配与价格工艺的局限性，导致了转子的轴线不能够完全进行重合与气隙分布不均等问题的发生，因此带来了噪声、转子损耗、转矩脉动的不良影响。
1永磁伺服分析模型建立
1.1永磁伺服电机的结构
以下文章将以卷烟自动化设备永磁伺服电机为例，着重对于电机偏心给电机性能产生的影响进行有效的分析。
卷烟自动化设备永磁伺服电机表面是采取贴磁的结构形式，通常在转子永磁机外边界往往采取护套进行固定，是转子表面贴磁的必要做法，一般会使用不锈钢与碳纤维的材质作为护套材料。
因为不锈钢在在导热性能与机械强度方面具有良好的优势，以下本文将阐述永磁体采取使用不锈钢作为护套的结构。
除此之外，为了很好的减少转子涡流损耗，有效的降低电机气隙内的谐波分量，使用电机定子要采用双层短距绕组。
1.2关于永磁伺服电机的有限元计算
依据永磁伺服电机的机构来说，进一步构建了电机二维电磁场，为更好的使电磁场进行有限元的计算，可以做如下的假设：1；因为铁心较为细长，所以电机内部的电磁场沿轴变化较小，与此同时对于电机端部漏磁进行忽略，利用二维瞬态场分析，向量磁位Z轴的分量是零；2；各向同性的材料；3；因材料的磁导率均匀并且不计磁导率随温度进行变化；4；忽视位移电流造成的影响。
依据电磁场理论在上面的假设条件下，使用向量磁位A，对于电机的瞬态电磁场进行描述，并给予对应的边界条件，便能够得到电机二位瞬态电磁场边值方程式:
2转子偏心对于磁场造成的影响
大多数的学者对永磁电机的与分析都是在于定转子轴线重合状态下进行研究的，电机的其中气隙也是均匀分布的，如果永磁伺服电机转子偏心时，不管是电机出现动态或静态偏心，都会造成电机气隙的长度进行改变，让电机内部气隙分布不均。
为进一步分析电机磁密随气隙长度变化的大小产生比对，需要确认电机偏心状态下的气隙长度沿着电机圆周方向的变化规律。
综上所述，保证电机磁密长度变化的基础之上，将电机偏心有限元计算相结合，得出来永磁伺服电机在有或没有偏心的情况下，电机气隙磁密变化的规律。
3转子偏心对于输出转矩造成的影响
经过上一节的分析可以得知，转子偏心对于永磁伺服电机气隙磁场造成了非常明显的影响，进而使得电机气隙内部的磁场分布改变了，会造成对于电机输出性能和电机能量转换的莫大的影响。
在基础有限元的计算上，进行了电动机转子偏心对于电机输出转矩的影响分析。
齿槽效应引起了一部分的转矩波动，由于部分的转矩数值波动较小，并且齿槽数和波动频率相对应。
而另一部分转矩的波动是因绕组分布系数、磁极励磁磁场所以产生的谐波磁场，此谐波磁场对于转矩波动影响很大。
引人深思的是，和电机输出转矩平均值变化的趋势截然不同的是电机转矩波动的振幅与转矩波动的系数都呈现出下降趋势。
4转子偏心对于损耗造成的影响
经过之前的分析可以得知，因为转子的偏心会影响气隙磁密分布不均，进而
导致输出转矩的波动变化。
除此之外，气隙磁密的分布不均对损耗影响是莫大的，所以转子偏心对于电机损耗影响将会引人深思。
虽然静态与动态偏心气隙磁场在
静止状态下磁场分布相同，但电机在动态运行中，偏心所导致的气隙磁密分布的
不均并与形式的不同。
从而对于损耗也是拥有较大的差异性，以下本文将会研究
静态与动态偏心分别对于电机的损耗。
4.1静态偏心对于电机的损耗
在永磁伺服电机中，涡流损耗、铁心损耗、铜损耗等一系列都是电机损耗方式。
铁心损耗是指，直接接受电机磁密以及频率的影响，并且在永磁伺服电机运
行频率较高，所以分析铁心损耗有着较为重要的意义。
电机气隙谐波磁场直接影
响转子的涡流损耗，因此转子偏心会造成电机涡流损耗的改变，除此之外，转子
涡流损耗是导致电机转子升温的重要原因，从而使永磁高温失磁的研究与提升永
磁电机的可靠有着关键性的影响。
电机定子铁心损耗变化与电机转子涡流的损耗
具有着差异，是非常明显的。
因为永磁伺服电机中采取了不锈钢护套的结构，所
以影响气隙内谐波磁场，在电机转子的护套与此同时体内都会生成涡流电密，从
而形成涡流损耗。
4.2动态偏心对于电机的损耗
因为电机转子周围圆周部分空间磁场分布不均导致出现动态偏心，动态偏心
与静态偏心的差异是转子的涡流损耗所产生的机理，所以这种气隙磁场空间分布
不均导致了电机的损耗影响。
动态偏心和静态偏心有所不同的是，电机偏心的程
度从而导致了电机铁心损耗，虽然变化并不显著，但要考虑到计算的误差问题，
大概可以认为电机定子铁心并不随着转子偏心程度而改变，由于气隙磁场直接做
用在转子的表面，所以气隙磁场的变化是一项电机转子涡流损耗的根本原因。
所以，转子的涡流损耗十分明显。
4.3动态偏心与静态偏心对于电机转子的损耗进行机理分析
经过对于动态与静态的偏心影响电机损耗影响的计算结果来说，静态偏心比起动态偏心对转子损耗更加的明显。
因此，机理的研究展示了发展规律的变化非常重要，而涡流损耗机理的分析的重点在其变化的气隙磁场的研究。
在电机转子角度来说，电机转子任何位置的磁密最大值都是进行改变的，由于磁密的增加与磁密的减小位置均都在电机气隙长度大小存在的变化位置出现的，使得静态偏心的时候气隙的长度在电机空间分布位置没有变化，不管转子如何进行旋转，都会受气隙磁场的变化，而涡流电密的空间的分布则不发生变化。
动态偏心气隙的长度变化随着转子的转动进行变化，但就转子来说，磁场的曾历经的变化远不如静态偏心的变化显著。
通常转子在任意位置静态偏心时，表面所产生的的气隙长度不会发生变化。
因此，动态偏心比静态偏心缺少了部分的气隙长度不同而导致的涡流损耗。
因为这部分涡流损耗的减少，从而使动态偏心所产生的损耗不如静态偏心所产生的损耗更为显著。
结论：
本文将通过对有限元的计算，分析出永磁伺服电机在静态偏心与动态偏心不同的情况下，造成的电机内部谐波磁场损耗的变化规律，并且研究出静态与动态偏心对于电机性能的机理影响。
参考文献:
[1]孔汉. 刘景林. 永磁伺服电机转子偏心对电机性能的影响研究[J]. 电机与控制学报,2016,20(01):52-59.
[2]柯文静. 内置式永磁同步伺服电机的研究[D].哈尔滨工业大学,2011.
[3]米秀峰. 内置式永磁伺服电机的电磁振动研究和抗冲击计算[D].沈阳工业大学,2014.
[4]林利红. 永磁交流伺服精密驱动系统机电耦合动力学分析与实验[D].重庆大学,2009.
[5]孙海军. 基于灰色模型永磁无轴承电机无位置传感器控制方法研究[D].沈阳工业大学,2010.
[6]夏仁杰. 高性能永磁同步伺服电机关键技术研究[D].湖北工业大学,2019.。