基于ANSOFT的永磁同步伺服电机齿槽转矩分析

基于ANSOFT的永磁同步伺服电机齿槽转矩分析

第32 卷第4 期2014 年07 月佳木斯大学学报( 自然科学版) Journal of Jiamusi University ( Natural Science Edition) Vol．32 No．4 July 2014

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

1 2 1

黄金霖，易靓，曹光华

( 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)

①

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［1］，

动设备．

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［2］

的重点之一．

其中，μ0 是空气磁导率．

( 2) 以及气隙磁密随着电机定转根据式( 1) 、

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: T

cog

= －

1

α

2

πLFe 2 2

( Ｒ－Ｒ)

2 0

1

∞

2μ0

B dV = 4μ

nG B sinnzα∑r n = 1 n

nz

2p

( 3)

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．

［4］

2 有限元模型的建立

2．1 电机结构

1 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．

根据其定义，可得出齿槽转矩的计算表达式如下:

W

T = －cog

θ

气隙与永磁体磁场中的能量又可以表示为:

2

W = W+ W=

①

［3］

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

2 所示．方法．电机的技术指标和具体尺寸分别如表1，

根据主要尺寸，建立电机的有限元分析模型，

B dV

2μ∫

( 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

额定功率/ kW 额定电压/ V 额定转速/ rpm 额定转矩/ N．m 4．5 220 3000 14．33

对永磁体的磁动势和磁导分别进行傅里叶分解，得到:

Λ( θ) = ∑Λn cos( kQθ)

n

F( θ，l) = f cos2pv( θ，θ－θ)

2

∑v

v

( 5) ( 6)

式中θ0 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，θ是磁极与某固定定p 为磁极对数，子齿相差的角度; Q 为定子槽数，Λn 为fv 为第n 次磁动势谐波幅值．第n

次磁导谐波幅值，

( 6) 带入式( 2) 中得到: 将式( 5) ，

n

2π

1

Tcog = －DlΛfIcosnθcos( θ－θ) dθ( 7)

α∑n n 0

D

4 枢直径，n 0 式中，为定子槽数Q 与磁极对数2p a 电

的最小公倍数．由式( 7) 可知，只有当磁动势的谐

表2 电机的主要尺寸

定子外径定子内径定子槽数

122．3mm 80mm 36 8

转子外径转子内径磁极对数气隙长度/ mm

78mm 30mm 4 1

减重孔个数

∫

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2p) 为Q 矩