铁氧体永磁辅助式磁阻伺服电机齿槽转矩研究

李新华,张家思,刘进超

(湖北工业大学,武汉430068)

0 引 言

铁氧体永磁辅助式同步磁阻电动机分为异步起动和同步起动两种,可应用于恒速和变速场合,在工业、交通等领域有广泛的应用空间[1-4]。近年来,人们也在研究铁氧体永磁辅助式同步磁阻伺服电机[5-6](以下简称铁氧体伺服电机)。与目前广泛使用的钕铁硼永磁同步伺服电机(以下简称钕铁硼伺服电机)相比,铁氧体伺服电机有很多优点,特别是永磁材料成本较低;另一方面,传统永磁伺服电机大多采用分布绕组,从降低人工下线成本的角度考虑,现在人们越来越多地关注集中绕组永磁伺服电机[7-8]。如果将集中绕组应用于铁氧体伺服电机,可以进一步降低制造成本,提升产品竞争力。

伺服电机齿槽转矩是人们比较关注的一个问题,它直接影响伺服系统的控制精度。齿槽转矩是永磁电机由于齿槽对应气隙磁导的变化所产生的转矩。与钕铁硼伺服电机一般用表贴式转子不同,铁氧体伺服电机则为内置式、多层转子结构,且采用磁性能相对较弱的铁氧体永磁材料,这些变化都会对电机齿槽转矩产生影响。

本文使用计算机仿真方法研究分布绕组和集中绕组铁氧体伺服电机的齿槽转矩以及降低铁氧体伺服电机齿槽转矩的措施,并与表贴式钕铁硼伺服电机的齿槽转矩进行比较分析。

1 分布绕组铁氧体伺服电机

钕铁硼伺服电机极数有6,8,10极等,而铁氧体伺服电机的极数不能太多。这是因为极数越多,铁氧体伺服电机的转子结构越复杂,转子冲片模具及装配成本就越高,一般用4,6极比较合适。与钕铁硼伺服电机一样,铁氧体伺服电机也用分数槽绕组降低齿槽转矩。下面比较4,6极分数槽绕组铁氧体伺服电机的齿槽转矩。图1给出了1.5 kW,二种极槽配合铁氧体伺服电机的仿真模型,转子都采用内置三层“U”字形布局。图2为其齿槽转矩仿真结果。

图1 4,6极铁氧体伺服电机的仿真模型

图2 6极/27槽,4极/18槽电机齿槽转矩

由图2可见,6极/27槽铁氧体伺服电机齿槽转矩的峰峰值(以下省去峰峰值)为72 mN·m,4极18槽电机的齿槽转矩为40 N·m。两电机每极每相槽数q=1.5,但4极铁氧体伺服电机的齿槽转矩反而比6极的小,因此,从减小铁氧体伺服电机齿槽转矩和简化转子结构的角度来看,选用4极是合适的。

相同极数条件下极槽配合的选择对铁氧体伺服电机齿槽转矩影响很大。图3是4极/21槽与4极/18槽铁氧体伺服电机齿槽转矩的仿真结果。4极/21槽铁氧体伺服电机齿槽转矩为24 mN·m,4极18槽电机齿槽转矩为40 mN·m。同为4极电机,但q不同,前者为1.75,后者为1.5,q值大的4极/21槽铁氧体伺服电机齿槽转矩更小,可见,4极/21槽是分布绕组铁氧体伺服电机比较好的一个极槽配合。

图3 4极/21槽,4极/18槽电机齿槽转矩

图4是铁氧体伺服电机转子一个极下不同内置槽布局示意图。仿真结果表明,两种转子的齿槽转矩相差不大,大约为25 mN·m,但宽“一”字形转子电机的转矩脉动率为5.04%,窄“一”字形转子电机的转矩脉动率为2.43%,减小了一半多,如图5所示。这是由于两种转子的气隙磁密畸变率不同,前者为39%,后者为32%,如图6所示。故窄“一”字形转子铁氧体伺服电机反电动势和电枢电流波形更好,脉动转矩较低。

图4 一个极下不同内置槽布局示意图

图5 两种转子电机的电磁转矩仿真

图6 两种转子电机气隙磁密的傅里叶分析

此外,采用定子斜槽和定子铁心开辅助槽都可以降低分布绕组永磁辅助伺服电机的齿槽转矩。

2 集中绕组铁氧体伺服电机

传统永磁伺服电机大多用分布绕组。分布绕组电机需要人工下线,生产效率较低,制造成本增加,而且分布绕组端部较长,增加了铜线的材料成本。集中绕组伺服电机可以实现自动绕线,降低制造成本。

与分布绕组铁氧体伺服电机一样,集中绕组铁氧体伺服电机一般用4,6极比较合适。图7给出了750 W,极槽配合分别为6极/9槽和4极/6槽铁氧体伺服电机的仿真模型,转子都采用内置三层“U”字形布局。图8为其齿槽转矩的仿真结果。

图8 6极/9槽,4极/6槽电机齿槽转矩

由图8可见,6极/9槽,4极/6槽铁氧体伺服电机齿槽转矩分别为79 mN·m和36 mN·m。两电机q=0.5,但4极铁氧体伺服电机的齿槽转矩反而比6极的小了一半,因此,从减小铁氧体伺服电机齿槽转矩和简化转子结构的角度来看,选用4极是合理的。

与分布绕组铁氧体伺服电机一样,相同极数条件下集中绕组铁氧体伺服电机极槽配合的选择对齿槽转矩影响较大。图9是4极/6槽与4极/9槽铁氧体伺服电机齿槽转矩的仿真结果。4极/6槽铁氧体伺服电机齿槽转矩为36 mN·m,4极/9槽电机齿槽转矩为28 mN·m。同为4极电机,但q不同,前者为0.5,后者为0.75,q值大的4极/9槽铁氧体伺服电机齿槽转矩更小。可见,4极/9槽是铁氧体伺服电机比较好的一个极槽配合。

图9 4极/9槽,4极/6槽电机齿槽转矩

集中绕组铁氧体伺服电机定子绕组可用机器绕线,因此减小定子槽开口,甚至可以用闭口槽来降低齿槽转矩。图10是定子开口槽(开口宽度1 mm)和闭口槽时电机齿槽转矩的仿真结果,开口槽铁氧体伺服电机齿槽转矩为28 mN·m,闭口槽电机齿槽转矩为9 mN·m,齿槽转矩下降了2/3,效果十分明显。

图10 开口槽和闭口槽电机的齿槽转矩

对4极/9槽铁氧体伺服电机定子开辅助槽如图11所示,齿槽转矩的仿真结果如图12所示。无辅助槽电机齿槽转矩为9 mN·m,开1个辅助槽的齿槽转矩为16 mN·m,开2个辅助槽的齿槽转矩为24 mN·m,比无辅助槽电机齿槽转矩有明显增加。可见,集中绕组铁氧体伺服电机定子不适合用开辅助槽的方法来降低齿槽转矩;与此相反,分布绕组铁氧体伺服电机定子开辅助槽则可以降低齿槽转矩(仿真分析略)。

图11 定子开辅助槽

图12 定子开辅助槽时的齿槽转矩

3 与钕铁硼伺服电机的比较

钕铁硼伺服电机定子多用分布绕组,转子为表贴式磁钢。图13为1.5 kW,4极/21槽和750 W,4极/9槽钕铁硼伺服电机的仿真模型,前者为分布绕组,后者为集中绕组。为了便于比较,钕铁硼和铁氧体伺服电机的规格数据和主要尺寸相同。图14给出了4极/21槽,4极/9槽钕铁硼和铁氧体伺服电机齿槽转矩的仿真结果。

图13 钕铁硼伺服电机仿真模型

图14 伺服电机齿槽转矩仿真结果

4极/21槽钕铁硼伺服电机齿槽转矩为41 mN·m,相同极槽配合铁氧体伺服电机齿槽转矩为24 mN·m;4极/9槽钕铁硼伺服电机齿槽转矩为16 mN·m,相同极槽配合铁氧体伺服电机齿槽转矩为9 mN·m。可见,无论是分布绕组还是集中绕组,铁氧体伺服电机的齿槽转矩都要比钕铁硼伺服电机的齿槽转矩有所降低。

表1给出了4极/21槽,4极/9槽铁氧体和钕铁硼伺服电机齿槽转矩、气隙磁场畸变率和电磁转矩脉动率的仿真分析结果。结果表明,尽管铁氧体伺服电机的齿槽转矩比钕铁硼伺服电机的齿槽转矩低,但铁氧体伺服电机电磁转矩脉动率比钕铁硼伺服电机的略有增加,其原因是钕铁硼伺服电机气隙磁场畸变率不到铁氧体伺服电机的一半,反电动势和电枢电流波形的正弦性更好一些。

表1 铁氧体和钕铁硼伺服电机仿真结果比较

为了进一步降低铁氧体伺服电机的转矩脉动率,可以优化电机的转子多层磁钢槽布局,提高气隙磁场的正弦性;同时采用定子斜槽,或转子斜极的办法来满足伺服系统的性能要求。

需要说明的是,本文电磁转矩仿真在电机中通入的是正弦电流,而电机实际通入的是含有谐波的非正弦电流,因此,仿真所得的转矩脉动率会比实际的小。

4 结 语

仿真结果及分析表明,选择合理的极槽配合和转子布局,分布绕组和集中绕组铁氧体伺服电机的齿槽转矩都会比表贴式钕铁硼伺服电机有所降低;如果进一步优化转子多层磁钢槽结构,提高电机气隙磁场的正弦性,铁氧体伺服电机的转矩脉动率可以达到钕铁硼伺服电机的水平。

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