弧形永磁同步电机设计与优化

弧形永磁同步电机设计与优化

实验结果表明电机的力矩波动从原来的4%下降到1.8%，证明该种方法的有效性。关键词：弧形永磁同步电机；边端力矩；齿槽力矩；有限元分析；力矩波动

DOI：10.15938/j.emc.2015.07.016

中图分类号：TN957；TN273+.3 文献标志码：A 文章编号：1007-449X（2015）07-0106-05

0.引言

对于一些超大型精密测量设备，如望远镜、测量雷达、精密机床，转台的尺寸都在10m左右，传统的传动方式已经不能满足实际应用需求。主要体现在如下方面：采用蜗轮蜗杆传动方式时蜗轮的尺寸难以做得很大，而且大尺寸蜗轮精度难以得到保证，对于大型测量设备而言，传动惯量一般都很大，常常使蜗轮部分的惯量难以匹配与其啮合的蜗杆部分的惯量。当设备制动时，蜗杆副的不可逆转特性会产生很大的冲击，若采用在蜗杆轴上加重量的办法来匹配惯量消除冲击，不仅会使伺服系统的机电时间常数增大，而且会延长起动和制动时间，同时也降低了伺服系统的跟踪性能。摩擦传动虽然克服了蜗轮蜗杆传动的弱点，但其存在传动刚度差，低速爬行和滑移的缺点。低速爬行和滑移会直接影响设备的运动稳定性和传动精度，齿轮传动与蜗轮蜗杆传动类似，都属于啮合传动，同样存在反向间隙、较高齿面接触应力、高频齿形误差等问题。对于力矩电机直接传动方式而言，普通的旋转电机已经不能满足大型设备应用需求，如果设计超大型的旋转电机，将给电机的加工、运输、安装都带来巨大的困难。

基于以上原因，本世纪初，国外率先在大型光学望远镜上应用了一种基于弧形永磁同步电机

拼接的传动技术。这项传动技术已经成功应用在了8.2 m的VLT望远镜和10.4 m的望远镜上。整个拼接电机的转子是由多个扇形结构组成，整个电机定子由多块弧形定子组成，每块定子和转子可以视为一台单元电机，可以单独运转。从电机结构上分类，该种电机属于直线电机，从电机性质上分类，该种电机属于永磁同步电机。整台电机可以很方便地加工、安装和拆卸，即使单块定子出现故障，仍然不影响整台电机的运转。但是该种电机存在较大的力矩波动，力矩波动会直接影响到设备的定位和跟踪精度，因此必须采取有效措施加以优化。造成电机力矩波动的因素有很多，主要包括：反电动势谐波、电机磁阻力矩等。对于弧形永磁同步电机，造成电机磁阻力矩的主要因素包括电机的边端力矩和齿槽力矩。电机的边端力矩是由于电机的铁心长度有限，未能构成闭合磁路造成的，电机的齿槽力矩是由电机的齿槽拓扑结构造成的。本文将针对弧形电机的力矩波动采取有效措施进行优化。

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