轉(zhuǎn)子動態(tài)偏心對永磁同步電機性能的研究

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(廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，廣東廣州 510006)

轉(zhuǎn)子動態(tài)偏心對永磁同步電機性能的研究

黃信，方超，譚耿銳，杜曉斌

(廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，廣東廣州 510006)

在工程中由于偏心不同程度的存在氣隙不均勻的情況,勢必影響氣隙磁場分布,進而影響齒槽轉(zhuǎn)矩的大小，現(xiàn)通過解析法研究了轉(zhuǎn)子動態(tài)偏心對齒槽轉(zhuǎn)矩、氣隙磁密與反電勢的影響?；贛axwell 2D建立48槽8極表貼式永磁同步電機的仿真模型，結(jié)果表明齒槽轉(zhuǎn)矩隨著偏心度的增大而略有減小，氣隙磁密隨著偏心度的增大而增大，反電勢隨著轉(zhuǎn)子偏心距的增大并沒有改變。

動態(tài)偏心；齒槽轉(zhuǎn)矩；氣隙磁密；偏心度

0 引言

在工程中由于加工制造和裝配工藝技術(shù)的誤差，定轉(zhuǎn)子的軸線不可能完全重合，導(dǎo)致實際電機產(chǎn)品將不同程度上存在著轉(zhuǎn)子偏心的狀況。永磁同步電機中的轉(zhuǎn)子偏心一般有兩種情況，分別是靜態(tài)偏心和動態(tài)偏心。轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心則是由定子鐵心橢圓、定子或轉(zhuǎn)子不正確的安裝位置等因素引起的，其特點是電機最小氣隙、最大氣隙的位置不隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而改變。而轉(zhuǎn)子動態(tài)偏心主要是由轉(zhuǎn)子軸彎曲、轉(zhuǎn)子鐵心與轉(zhuǎn)軸或者軸承不同心或轉(zhuǎn)子鐵心加工不圓等因素造成的，其特點是：轉(zhuǎn)子的中心并不是旋轉(zhuǎn)的中心，與定子的圓心并不重合，最小氣隙的位置隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而隨之變化。與定轉(zhuǎn)子同心的理想情況相比較，轉(zhuǎn)子偏心時其氣隙磁導(dǎo)發(fā)生了變化，必然會影響到齒槽轉(zhuǎn)矩、氣隙磁密等電機參數(shù)的大小。

本文著重研究轉(zhuǎn)子動態(tài)偏心后對齒槽轉(zhuǎn)矩、氣隙磁密與反電勢的影響，為其研究提供了一定的參考價值。

2 轉(zhuǎn)子動態(tài)偏心對齒槽轉(zhuǎn)矩的分析

齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機繞組不通電時永磁體與鐵心相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，是永磁體與電樞之間的作用分量引起的?？梢詫⑵涠x為不通電時磁能W相對于位置角α的負導(dǎo)數(shù)，即

(1)

假設(shè)電樞鐵心的導(dǎo)磁率無窮大，同一轉(zhuǎn)子上安裝的永磁體形狀、尺寸、性能相同，且磁導(dǎo)率與空氣相同，可得

(2)

電機氣隙磁密沿電樞表面的分布可近似表示為

(3)

把式(3)代入式(2)進行整理可得

(4)

式中，Br(θ)、δ(θ,α)、hm(θ)、δs(θ,α)—永磁體剩磁、有效氣隙長度、永磁體充磁方向長度與槽引起氣隙長度的變化。

3 轉(zhuǎn)子動態(tài)偏心對氣隙磁密的影響

由于轉(zhuǎn)子偏心，難以確定氣隙磁場分布，為簡單起見，暫時忽略電樞槽影響，對于表面式永磁電機，氣隙磁密近似為

(5)

式中，Br(θ)—永磁體剩磁密度沿圓周分布；hm—永磁體磁化方向長度。

圖1為轉(zhuǎn)子偏心時永磁電機的結(jié)構(gòu)示意圖，氣隙隨定轉(zhuǎn)子位置的變化而變化。

圖1轉(zhuǎn)子偏心時永磁電機的結(jié)構(gòu)示意圖

δ(θ)=δ-εδcosθ

(6)

式中，δ—轉(zhuǎn)子不偏心時的氣隙長度；ε=h/δ—偏心度；θ—定轉(zhuǎn)子之間的相對位置。

也可整理為

(7)

式中，

為等效剩磁密度的分布。故轉(zhuǎn)子偏心可以用氣隙均勻但剩磁密度分布不均勻的電機的磁密分布來等效。

4 永磁同步電動機有限元分析

當電動機額定運行時，電動機的氣隙磁場可以看作是由負載電樞磁場和空載永磁體磁場疊加構(gòu)成的。本文基于Maxwell 2D有限元分析軟件分別建立48槽8極表貼式永磁同步電動機二維模型，電機的整個模型如圖2所示。

圖2 48槽8極永磁同步電動機模型

為了得到轉(zhuǎn)子動態(tài)偏心模型，只需對轉(zhuǎn)子鐵心、永磁體、shaft和innerregion移動偏心位移，旋轉(zhuǎn)坐標系不動，即可形成動態(tài)偏心。

4.1 轉(zhuǎn)子動態(tài)偏心對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

本文選取齒槽轉(zhuǎn)矩最大值進行分析對比。齒槽轉(zhuǎn)矩一般指的是低速下的值，如果希望利用 Maxwell 2D 準確計算齒槽轉(zhuǎn)矩，可以將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速設(shè)置為1°/s。偏移距離為0～1mm之間，步長為0.25mm。不同偏心距離的齒槽轉(zhuǎn)矩波形見圖3。不同偏心距離的出槽轉(zhuǎn)距見表1。

圖3 不同偏心距離的齒槽轉(zhuǎn)矩波形

由表1可知隨著偏心距的增大，齒槽轉(zhuǎn)矩會略有減小。

4.2 空載氣隙磁密計算

分析空載氣隙磁密波形及其畸變率可以評判轉(zhuǎn)子磁鋼設(shè)計的優(yōu)劣，從而判斷電機性能好壞，從理論解析分析假設(shè)條件來看，電機氣隙磁密波形是標準的正弦波，但由于各次諧波的存在，導(dǎo)致其不是標準的正弦波形狀。若波形畸變率越小，代表其氣隙磁密波形質(zhì)量越好，說明其電機磁路結(jié)構(gòu)良好。氣隙磁場波形圖，其波形有明顯的尖峰，經(jīng)過計算機傅里葉分解后處理，通過Excel電機諧波分析工具可以計算出諧波畸變率。不同偏心距離對應(yīng)的氣隙磁密波形見圖4。不同偏心距離的氣隙磁密幅值及諧波畸變率見表2。

圖4 不同偏心距離對應(yīng)的氣隙磁密波形

由表2可知隨著偏心距的增大，空載氣隙磁密諧波畸變率不斷增大會使波形發(fā)生嚴重畸變，出現(xiàn)占比較大的分數(shù)次諧波，影響氣隙磁場的正弦性，可能會增大電機的渦流損耗。

4.3 空載反電勢計算

永磁同步伺服電動機的空載反電勢E是一個很重要的性能參數(shù)，它是由電機轉(zhuǎn)子上的磁鋼產(chǎn)生的氣隙基波磁通在定子繞組中感應(yīng)生成。其計算公式為

E=4.44fKdpNφ10

空載反電動勢E對永磁同步電動機的電磁性能有重要影響，其中對空載電流、空載損耗、定樞電流影響較大，選擇合適的E，可以有效降低繞組中的電流，提高電動機的效率以及功率因數(shù)，同時也有利于電機溫升的降低，提高伺服電機的過載能力。 反電勢波形圖見圖5。不同偏心距對應(yīng)的偏心距見表3。

圖5 反電勢波形圖

由表3可知隨著轉(zhuǎn)子的偏心距離的不斷加大，反電勢基本保持不變。

5 結(jié)語

本文主要介紹了轉(zhuǎn)子動態(tài)偏心的齒槽轉(zhuǎn)矩與氣隙磁密解析表達式。以一款48槽 8 極小功率永磁同步電機為例，詳細分析了轉(zhuǎn)子動態(tài)偏心對電機對氣隙磁密、齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，并對數(shù)據(jù)分析結(jié)果進行了歸納，總結(jié)了轉(zhuǎn)子動態(tài)偏心情況對永磁電機影響的規(guī)律。研究結(jié)果表明：(1)隨著偏心距增大到一定范圍內(nèi)齒槽轉(zhuǎn)矩能夠降低；(2)轉(zhuǎn)子動態(tài)偏心距增大會造成同步電機的空載氣隙磁密含有分數(shù)次諧波，造成氣隙磁密諧波畸變率增大；(3)轉(zhuǎn)子動態(tài)偏心對電機的反電勢并沒有影響。

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StudyonPerformanceofPermanentMagnetSynchronousMotorwithDynamicEccentricityRotor

HuangXin,FangChao,TanGengrui,andDuXiaobin

(School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

In the engineering, eccentricity of different degrees is due to uneven air gap, it is bound to affect the distribution of air-gap magnetic field, thereby affect magnitude of cogging torque. This paper studies the influence of rotor dynamic eccentricity on cogging torque, air-gap flux density and back EMF by analytical method. The simulation model of 48-slot 8-pole surface-mounted permanent magnet synchronous motor is established based on Maxwell2D. The results show that the cogging torque is slightly decreased with the increase of rotor eccentricity, the air-gap flux density is increased with the increase of rotor eccentricity, and the back EMF does not change with the increase of rotor eccentricity.

Dynamic eccentricity;cogging torque;air-gap flux density;eccentricity

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.05.03

TM301.4

A

1008-7281(2017)05-0010-004

黃信男1992年生；廣東工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向為永磁同步電動機的設(shè)計.

2017-04-10