永磁交流伺服電動機力矩分析
邵曉強 莫會成（西安微電機研究所）
（摘 要） 針對電流型逆變器供電的永磁交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)，運用級數(shù)展開的方法，對永磁交流伺服電動機定子繞組和轉(zhuǎn)子磁體產(chǎn)生的磁場進行諧波分析；然后根據(jù)定、轉(zhuǎn)子磁勢相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的基本原理，導出電磁轉(zhuǎn)矩的表達式；指出合理地利用定、轉(zhuǎn)子磁勢諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，能減少伺服電動機的力矩波動，提高其性能和運行精度。
（敘 詞）交流伺服電動機，永磁電機，逆變器，電磁轉(zhuǎn)矩
O 引 言
隨著功率半導體元件的發(fā)展和新型永磁材料Nd-Fe-B的問世，大大降低了驅(qū)動系統(tǒng)和電動機本體的成本，使其價格日趨合理，應用范圍日益擴大。交流永磁伺服系統(tǒng)不僅兼?zhèn)渲绷魉欧妱訖C優(yōu)異的伺服性能，而且還具有堅固的交流電動機的結(jié)構(gòu)，完全避免了直流伺服驅(qū)動維護復雜等缺點，具有很大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊前景。
交流永磁伺服電動機按其激磁方式和供電方式的不同分為兩類：一類電機的永磁體激磁磁場為正弦波，定子繞組感應的反電勢為正弦波，伺服放大器提供正孩波驅(qū)動電流，其力矩分析可按傳統(tǒng)方法進行分析。另一類電機的永磁體激磁磁場為方波，定子繞組感應的反電勢波形為梯形波，其逆變器提供方波電流，這樣矩形電流塊呈120度電角度布。此類電機的信號處理并不復雜，我們采用傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置。本文針對后者的具體結(jié)構(gòu)、運用級數(shù)展開的方法。對交流伺服電動機的定子繞組和轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場進行諧波分析，然后根據(jù)定、轉(zhuǎn)子磁勢相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的基本原理，導出電磁轉(zhuǎn)矩的表達式，指出減少伺服電動機力矩波動的方法。
l 工作原理和磁場分析
圖l表示交流永磁伺服驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成和運行原理圖。電動機定子繞組為三相對稱繞組，為減少齒槽效應的影響，定子鐵心采用斜槽，轉(zhuǎn)子是帶有徑向磁場的瓦形永磁體，用以產(chǎn)生方波磁場�？紤]到價格及性遞交器能的因素，選轉(zhuǎn)子永磁材料為釹鐵硼( Nd-Fe-B)，轉(zhuǎn)軸上帶有位置傳感器，以控制逆變器的選通信號，驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)，永磁交流伺服電動機力矩分析其產(chǎn)生的力矩正比于電流和磁通的乘積。
為了簡便，作如下假設
a．轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場波形為矩形波；
b．忽略電樞反應的影響，定子繞組連續(xù)分布；
c．兩相導通，電流導通角為120度，六狀態(tài)；
d．電機換向為理想換向。
根據(jù)以上假設，設定子兩相繞組導通時電流為I，則在導通角內(nèi)，定子的磁勢是不變的，將其展開成富氏級數(shù)有
轉(zhuǎn)子磁勢展開成富氏級數(shù)有
由(1)、(2)兩式可得定、轉(zhuǎn)子磁勢各次諧波幅值分別為
2為矩分析
由于逆變器采用橋式供電，故電機一個運行狀態(tài)為60度電角度，在每個運行狀態(tài)中，力矩變化均相同，因此只要分析電機在某一狀態(tài)角范圍內(nèi)的力矩變化即可。假定定、轉(zhuǎn)子磁勢之間的夾角為y，在某一運行狀態(tài)下，定子磁勢的空間位置固定不變，（如圖2）圖2定轉(zhuǎn)子磁場中心線的變化所示）。
其間(2K-I)次諧波在氣隙中產(chǎn)生的力矩為
這是瞬時電磁力矩的表達式，其平均值為
式(5)得
Cm是一個與電機的具體結(jié)構(gòu)、參數(shù)等有關(guān)的常數(shù)。由式(6)可看出電磁轉(zhuǎn)矩與以下幾個因素有關(guān)
a．與反映定子繞組分布和連接的盧有關(guān)；
b．與反映轉(zhuǎn)子磁極寬度的Ⅸ有關(guān)；
c．與定、轉(zhuǎn)子磁勢中心線的夾角3，的變化范圍y。有關(guān)。
為了討論方便，用下式表示電磁力矩波動的相對量。
2 永磁交流伺服電動機力矩分析
2.1 定子繞組的影響
從式(7)可看出，適當?shù)販p小角，能夠減小力矩波動，但對一個電機來說，i值是固定的。對于三相六狀態(tài)；對于三相三狀態(tài)，這時F值若減小，y角的變化范圍相應增大，不一定能減小力矩波動。采取每相每極槽數(shù)q-l，且各相繞組之間留有“虛槽”，可實現(xiàn)盧值的減少，同時又不增加y的變化范圍，但這樣做．電機的力能指標會受到影響。
2.2沁角的影響
由式(7)可見，70角愈小，對力矩波動的影響就越小。yo角是一個狀態(tài)角的范圍，要減少yo( -y2一yl)，就要增加換向次數(shù)，也就是增加相數(shù)和系統(tǒng)的元件數(shù)目，使系統(tǒng)復雜化，系統(tǒng)成本相應提高、因而不可能無限地減小角。
2.3澎角的影響
由于電動機的力能指標和驅(qū)動系統(tǒng)的復雜程度以及成本的限制，前兩個因素是很難改變的，因而c角的影響就顯得很重要。圖3給出在三相六狀態(tài)下倪角的變化對電磁力矩波動的影響，可見力矩隨增加而增大．而力矩渡動隨。c的增加而減小，當120度時，△M****，當180度時，其力矩波動為零，在實際生產(chǎn)中完全做到180度是不可能的，但可修篁值盡可能接近180度，以****限度地減小力矩波動。為了搞清楚增加轉(zhuǎn)子磁場寬度倪能減小電磁轉(zhuǎn)矩波動的原因，下面對電機運動狀態(tài)中各次諧波產(chǎn)生的力矩進行分析。
將式(7)看做兩部分：一部分為基波電磁力矩，另一部分為諧波電磁力矩動隨轉(zhuǎn)子磁場寬度的變化
圖4a給出了在同-p值下，其電磁力矩的基波分量變化，由圖中可看出在不同oc值下基波的變化規(guī)律完全相同，僅是幅值大小有所區(qū)別，圖4b給出了總的電磁力矩在一個狀態(tài)角的變化。由于電磁力矩是基波分和各次諧波分量的總和，比較兩圖就可看出諧波分量的作用。當磁場寬度 120度時，其電磁力矩基波分量最小值為基值的百分之90.01，由于諧波分量的作用�？偭刈钚≈禐榛档陌俜种�84.68.隨著。角的增大，諧波分量巧妙地補償了力矩基波分量的變化，使其力矩波動藏小。當a=180度時，力矩波動為零，這就是諧波的補償作用。
4結(jié)語
交流永磁伺服電動機電磁力矩及力矩波動主要取決于換向方式、電樞繞組型式和磁場的分布等因素。對于矩形波磁場的交流永磁伺服電動機，很難完全消除其力矩波動。實踐證明，通過改變電樞繞組的分布型式，增加轉(zhuǎn)子磁極寬度可合理地利用定、轉(zhuǎn)子諧波磁場產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩，增加了電機轉(zhuǎn)矩，有效地減小力矩波動，以使其達到所需要的電磁轉(zhuǎn)矩和力矩波動指標。
|
