永磁伺服電機結構研究及優(yōu)化設計

劉傳

摘 要：本文通過分析影響電機的徑向氣隙磁通密度相關因素，比如磁體厚度、磁體塊數、磁極偏心距、氣隙長度等幾個方面，總結找出影響電機性能的一般規(guī)律，并根據該規(guī)律提出永磁伺服電機結構改進方案。

關鍵詞：伺服電機；結構；優(yōu)化；氣隙磁密

1 引言

伺服電機（servo motor ）是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發(fā)動機，是一種間接傳動輔助馬達裝置。機床、風機、壓縮機、泵和機器人等設備都需要伺服電機作為控制部件，而電機的性能對于伺服體系非常重要，根據電機工作原理，可以通過氣隙磁通密度提高電機性能和穩(wěn)定性，而影響電機的徑向氣隙磁通密度主要有磁體厚度、磁體塊數、磁極偏心距和氣隙長度等幾個相關因素。

2 影響氣隙磁通密度因素分析

伺服電機的主要部件是內部含有永磁鐵的一個轉子，驅動器可以通過控制U/V/W三相電形成電磁場，永磁鐵的轉子在驅動器產生磁場的作用下轉動，電機自帶編碼器，驅動器通過比較反饋值與目標值把反饋信號給驅動器來調整轉子的轉動角度。

2.1 磁體厚度

電機的磁場是由永磁體產生的，影響電機氣隙磁場重要的因素就是永磁體的厚度。在保持其他因數不變的情況下，磁體厚度在1～5mm區(qū)間，以0.5mm為步長進行建模，仿真電機徑向氣隙磁場。分析結果表明；①磁場幅值隨磁體的厚度增加而增大。②徑向充磁產生的磁場與平行充磁產生的磁場相比，幅值較小，畸變率較大，在磁體較厚時這種差別表現尤為明顯。因此綜合考慮氣隙磁場的幅值和畸變率，永磁體的厚度最好控制在3～6mm比較適合。

2.2 磁體塊數

一組永磁體可以組成電機的一個磁極，因此磁體的數目必然會對電機氣隙磁場產生重要影響。本文分別由2、3、4塊永磁體構成一個磁極進行建模，仿真電機徑向氣隙磁場。分析結果顯示：①氣隙磁場的幅值隨磁體塊數的增加而增大。3塊磁體時增幅最大。②氣隙磁場的畸變系數隨磁體塊數的增大反而減小。綜合考慮氣隙磁場的幅值和畸變率，電機的每極磁體由3或者4塊構成較為適宜。

2.3磁極偏心距

磁極是貼合在轉子表面上的，而磁極的外徑中心和內徑中心重合是最簡單的一種方式，但這種磁極方式對磁場的正弦性和磁體的利用率不利。在保持其他磁極因素不變的情況下，本文研究磁極外徑中心和內徑中心偏離的大小對氣隙磁通密度的影響，以步長為1mm，磁極偏心距在3～20mm之間建模分析磁極偏心距對電機徑向氣隙磁場。通過試驗結果分析顯示：隨著磁極偏心距的減小，徑向氣隙磁通密度幅值逐漸增大，而畸變率先增大后快速減小。因此要綜合考慮磁通密度幅值、畸變率和電機結構，以確定磁極偏心距。

2.4 氣隙長度

氣隙長度對電機氣隙磁通密度也具有顯著影響，因為空氣的磁阻非常大。本文在保持其他設置不變的情況下，氣隙長度分別取1～5mm，步長為0.25 mm 建模（當氣隙長度變化時，轉子的大小會發(fā)生相應改變），仿真電機徑向氣隙磁場。結果表明：①氣隙磁場的磁通密度幅值和對氣隙磁場畸變率的影響隨著氣隙長度的減小而增大。②徑向充磁比平行充磁基波幅值略小，畸變率略大。因此綜合考慮幅值和畸變率，永磁伺服電機的氣隙長度一般在1～3mm較為合適。

3 永磁伺服電機結構優(yōu)化

根據前面建模分析得出的電機結構各個因素對氣隙磁場的影響規(guī)律，并以其為基礎，對原型電機有關結構尺寸進行適當修改，利用仿真電機徑向氣隙磁場，篩選形成新的電機設計方案，通過新的電機設計方案和原型電機方案進行效果比對，獲得相對于原型電機氣隙磁通密度優(yōu)化的設計方案。

4 結語

電機的性能對于伺服體系非常重要，機床、風機、壓縮機、泵和機器人等設備都需要伺服電機作為控制部件，從而看出電機的社會地位和提高電機工作效率的重要性。本篇文章從電機的不同組件、參數分析了對電機氣隙磁場的影響，并通過對于單一參數變化時建模，仿真永磁伺服電機氣隙磁場的變化，從而總結歸納相關規(guī)律。總的來說：①平行充磁比徑向充磁效果好，能夠獲得更大的氣隙磁通密度幅值和更小的畸變率；②磁場幅值隨磁體的厚度增加而增大；③氣隙磁場的幅值和畸變系數分別隨磁體塊數的增加而增大或減小；④隨著磁極偏心距的減小，徑向氣隙磁通密度幅值逐漸增大，而畸變率先增大后快速減??；⑤氣隙磁場的磁通密度幅值和對氣隙磁場畸變率的影響隨著氣隙長度的減小而增大。

文中所分析、建模的結構參數對氣隙磁場的影響較為明顯，但不同的參數的影響規(guī)律是不相同的。作者通過應用以上規(guī)律，對各種因素進行綜合考慮，做適當的永磁伺服電機結構優(yōu)化設計，使優(yōu)化設計方案的畸變率下降。

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