永磁同步直线电机分数槽绕组谐波分析和齿槽力研究

永磁同步直线电机分数槽绕组谐波分析和齿槽力研究 永磁同步直线电机分数槽绕组谐波分析和 齿槽力研究 永磁同步直线电机分数槽绕组谐波分析和 齿槽力研究 郑光远,肖曙红,陈署泉 (广东工业大学机电工程学院,广东广州510006) StudyontheSlotEffectofPermanentMagnetSynchronousLinearMotors ZIIENGGuang—yuan?XIAOShu—hong,CHENShu—quan (FacultyofMechanicalandElectronicEngineering,GuangdongUniversityofTechnology, Guangzhou510006,China) 摘要:介绍了永磁同步直线电机齿槽效应产生 的原因,利用有限元法,对永磁同步直线电机谐波分 量和齿槽力进行分析和仿真,运用傅立叶级数回归, 求出各次谐波分量,分析结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,采用分数槽短距 绕组方法可明显降低齿槽效应的影响.为进一步拟 合出齿槽推力波动曲线,实现控制系统的推力补偿 提供依据. 关键词:永磁同步直线电机;齿槽效应;分数槽 绕组 中图分类号:TM359.4 文献标识码:A 文章编号:1001—2257(2oo9)O8—0065—03 Abstract:Thecausesofsloteffectinperma- nentmagnetsynchronouslinearmotors(PMSLM) areanalyzed.Theharmonicwaveandslotthrust forcearesimulatedbythefiniteelementmethod. EveryharmoniccomponentisgotusingofFourier seriesreturn.Analysisresultsshowthattheuseof scoregrooveshort——rangewindingcanreduceslot effectsofPMSLM.Moreover,slotthrustfluctua— tioncurvecanbefitout,whichprovideadvicesto thethrustcompensationfortheservocontrolsys— temofPMSLM. Keywords:PMSLM;sloteffect;scoregroove winding 0引言 永磁同步直线电机的齿槽效应引起的推力波动 收稿日期:2009一O2一l1 《机械与电子}2009(8) 与永磁旋转电机的磁阻转矩的产生类似.该推力波 动会引起动子速度的波动,使电机产生振动和噪声, 甚至引起共振,特别是在低速运行情况下,严重影响 电机的定位精度和伺服性能.国内外学者对齿槽效 应进行了大量的研究,一般是通过有限元分析计算, 对电机结构进行优化设计,通过定子铁心斜槽的方 式来减弱齿槽效应[1],或者采用适当的极宽与槽节 距比以抵消齿槽转矩[2],也有人采用定子齿面加凹 槽或磁极分段移位来消除齿槽转矩【3],采用齿冠开 槽法以达到抑制永磁电机齿槽力矩的效果[4],这些 措施可以有效抑制齿槽效应,但无疑增加了制造工 艺的难度.为此,我们提出一种有效的简短的分数 槽绕组方法. 1PMSLM齿槽效应机理 齿槽推力是齿槽效应的表现形式,是PMSLM 的绕组不通电时永磁体和铁心间相互作用产生的推 力,因齿槽的存在使得定子和动子之间的气隙磁导 发生变化引起的嘲,其原理如图1所示.对于齿槽 () \II『IlIl _2 I 【a)(b) 图1齿槽效应引起的气隙磁导变化 结构,气隙不同位置的磁导与其相应的磁通路径 有关,其中有,<仞级铁芯相对次级永磁铁 有相对运动时,由于磁导变化,引起磁场储能变化, 从而产生齿槽力.齿槽推力.可定义为电机不通 电时的磁场能量W相对于移动速度的负导数,即 F如:=:一a训/a;对于光滑电枢结构,气隙磁导是均 匀相等的,即一.,此时不存在齿槽推力. ? 65? 2PMSLM线圈分数槽绕组排列方式 PMSLM的线圈绕组排列方式有多种,每极每 相槽数带有分数的绕组称为分数槽绕组,它可用一 定的齿槽,获得相当于整数槽时较大的每极每相槽 数,可减小齿谐波,抑制齿槽效应.设m为电机相 数;P为极对数;Z为电机铁心槽数;N/d为不可约 分数;c/d为不可约真分数;b为整数.分数槽绕组 的每极每相槽数q可表示为: 一一 bd+c^+三 一q一2pro丁一D十一 3分数槽绕组的谐波分析 PMSLM样机的动子总槽数为45,3相,6对 极.PMSLM样机其它结构参数如表1所示. 表1PMSLM主要参数表mm 参数齿宽槽距槽高永磁体极距气隙永磁铁尺寸 数值4.67.z30271.522.5×4 运用Ansoft公司Maxwell2D中的静磁场求解 器对PMSLM进行建模仿真[6],其模型如图2所 示.为了消除端部效应对分析结果的影响,初级铁 芯两边端加载周期边界条件.划分模型网络,考虑 到PMSLM电磁场分析关键部分是齿槽,绕组,气 隙和永磁铁,所以这些结构细分网格如图3所示. 图2PMSLM有限元分析模型 图3PMSLM模型的网格划分 通过ANSOFT有限元仿真分析,分别得出分 数槽和整数槽(一极一槽)时的磁力线分布,如图4, 图5所示.由图可知,PMSLM分数槽时的磁力线 比整数槽时的磁力线光滑,这是因为分数槽能有效 抑制齿槽效应的结果. 分别取分数槽和整数槽时的气隙磁密,得出结 果如图6,图7所示.由图可知,分数槽时的气隙磁 密曲线平滑,是以PMSLM极距为周期的波形,这 ? 66? 图4PMSLM分数槽时的磁力线分布 图5PMSLM整数槽时的磁力线分布 是各次谐波被有效抑制后的效果.而整数槽时气隙 磁密曲线比较毛糙,同一周期内出现多次波峰,这是 因为谐波中的各谐波分量引起的. 图6PMSLM分数槽时的气隙磁密 图7PMSLM整数槽时的气隙磁密 将气隙磁密通过傅立叶级数分解,分别得出分 数槽和整数槽时的各谐波分量,由于PMSLM绕组 为三相对称绕组,所以谐波分量中没有3次谐波. 在分数槽绕组中,以5,7次谐波最为明显,但相对整 数槽时,已得到很大的抑制,其它各次谐波分量很 少,可以到忽略不计的程度. 4齿槽力的仿真计算 对永磁同步直线电机进行齿槽力有限元计算, 将PMLSM的动子铁芯以现有齿槽数作为基本长 《机械与电子5)2009(8) l98765432l0 00OO000O0 ,? 98765432l0 ,? 度进行周期延拓,假设电机的定子,动子为无限长, 运用虚位移原理,以电机一个极距为一个分析周 期.在采用有限元方法分析电磁场后,运用虚功 原理计算齿槽力,计算结果如图8,图9所示.由图 可知,采用分数槽时齿槽力波动远小于整距时齿槽 力波动.最大齿槽力由36.3639N降到0.4803 N,利用傅立叶级数对有限元计算结果进行回归分 析,分别得出分数槽和整数槽各主要谐波推力的大 小.分析结果表明,分数槽各谐波推力中,以5次和 7次谐波齿槽推力为主,和整数槽时相比,已得到很 大的抑制.其它各次谐波齿槽推力可忽略不计. /^\……一A 1..…………- /ii~iiiii………………'7.一,,f…\…………篆善……….……………....………f….…. 一…….卜….f……一……..I…,….…-\___..…一… -.\..…. .一 ,……….一.\.,V 图8PMSLM分数槽时齿槽力 ;一… \ {, ,.,. , \,| / ,,I; 控制系统的伺服性能. 5结束语 在不改变电机基本结构的情况下,采用分数槽 绕组,能极大地削弱磁极磁场因齿槽效应感生的齿 谐波电动势,达到抑制齿槽效应的效果,降低工艺要 求,能有效降低电机的制造成本. 参考文献: [1]HendershotJR,MillerTJE.Designofbrushlessper- manent—magnetmotors[M].OxfordUniversity Press,1995. [2]JinHur.Amethodforreductionofcoggingtorquein brushlessDCmotorconsideringthedistributionof magnetizationby3DEMCN[J].IEEETransactionson magnetics.1998,34(5):3532--3535. [3]MartinezG.AtenciaJ,Martinez—IturraldeM,eta1. Reductionofdetentforceinflatpermanentmagnet linearsynchronousmachinesbymeansofthreediffer— entmethods[A].ElectricMachinesandDrivesConfer? ence[C].IEMDC'03.IEEEInternational,2003,1105 一 l1lO. [4]陈霞.采用齿冠开槽法有效抑制永磁电机齿槽力矩 口].微特电机,2006,(11):1O一12. [53王秀和.永磁电机[M].北京:中国电力出版社,2007. [6]刘国强.等.Ansoft工程电磁场有限元分析[M].北京: 电子工业出版社,2005. [7]徐月同.高速精密永磁直线同步电机进给系统及控制 技术研究[D].杭州:浙江大学,2004. 作者简介:郑光远(1982一).男,湖北成宁人,硕士研究生, 图9PMSLM整数槽时齿槽力(一极一槽)主要从事高速,大推力直线电机分析及应用研究-F作}肖曙红 在设计伺服控制系统时,可以依据上述分析,拟(1968一),男湖南衡阳人,教授,出站博士后,主要从事高速数控机 合出齿槽力补偿函数,对齿槽力实时补偿控制,提高床关键技术教学与研究工作? (上接第31页) 经过在重庆恒博机械有限公司的应用调试,达到了 设计目的,符合市场的要求.在信息技术迅速发展 的今天,计算机图形与仿真技术得到了很大的发展, 因此,在以后的设计中,可以考虑用更先进的图形仿 真法,以求得具有更高性能的凸轮轴数据优化软件. [J].组合机床与自动化加工技术,2005,(7):87—88. [2]王文熙.经济型凸轮轴磨床数控系统[J].制造技术与 机床,1999,(9):5O一51. [3]李宏胜,周伯荣.三维虚拟数控机床的软件开发与研究 口].组合机床与自动化加工技术,2002,(11):17—18. [4]赵辉,叶子青.VisualC++系统开发实例精粹[M]. 北京:人民邮电出版社,2005. 文献:作者简介 :潘盛潮(1982一),男.贵州天柱人.硬士,教师,研 [1]王占玺,等?基于PMAC的凸轮轴变速磨削加工研究究方向为数控技术 , 机电一体化和石油机械.. 《机械与电子》20o9(8)?67? 5432lOl2345 o0O0o Z\ 00O00OO004320