無(wú)刷力矩電機(jī)零位設(shè)計(jì)技術(shù)研究

尹勝利，江曉波，楊光力，卓 亮

(1.貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000；2.空裝駐貴陽(yáng)地區(qū)第一軍事代表室，貴州 貴陽(yáng) 550000；3.國(guó)家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550000)

0 引言

永磁無(wú)刷力矩電機(jī)具有輸出力矩大、過載能力強(qiáng)、運(yùn)行平穩(wěn)、伺服控制性能好的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在機(jī)器人、機(jī)床、閥門、衛(wèi)星轉(zhuǎn)臺(tái)、雷達(dá)導(dǎo)向等需要高精度位置或角度調(diào)節(jié)的伺服系統(tǒng)中[1]。永磁無(wú)刷力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極中心線與定子的某相磁勢(shì)中心線對(duì)齊時(shí)的位置即為無(wú)刷力矩電機(jī)零位，永磁無(wú)刷力矩電機(jī)要可靠起動(dòng)，必須要精確確定其零位，從而根據(jù)零位確定反饋元件的安裝角度。理論上零位數(shù)量與其極數(shù)相同，在生產(chǎn)制造過程中，為了便于識(shí)別零位位置和安裝位置感應(yīng)元件，通常以電機(jī)定子圓周某點(diǎn)為基準(zhǔn)確定一個(gè)唯一的零位位置。零位可以采用測(cè)試的方法確定，但其測(cè)試難度高，測(cè)量誤差大，例如分裝式的無(wú)刷力矩電機(jī)，若采用測(cè)試法，需要制造專門的測(cè)試工裝，安裝定子和轉(zhuǎn)子，同時(shí)由于定子和轉(zhuǎn)子之間可標(biāo)記的位置空間小，難以在規(guī)定的位置精確標(biāo)記出電機(jī)的零位線。另外，電機(jī)處于通電狀態(tài)，對(duì)測(cè)試人員的安全存在一定的隱患。

在電機(jī)零位設(shè)計(jì)研究方面，張帥[2]提出利用直流通電方式尋找電機(jī)零點(diǎn)的方法，并給出旋變結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)意見。劉紅偉等[3]探析了初始零位誤差對(duì)采用Id=0控制策略的表面正弦波永磁同步電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的影響。胡任之等[4]分析了位置傳感器零位偏差對(duì)轉(zhuǎn)矩模型的影響。張樹林等[5]提出基于電機(jī)線電感基波分量與二次諧波分量的轉(zhuǎn)子初始位置計(jì)算方法。陳程等[6]結(jié)合變頻器電壓脈沖激勵(lì)信號(hào)與開路電感值，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子初始位置的推算及在線檢測(cè)。

針對(duì)永磁無(wú)刷力矩電機(jī)零位確定多采用試驗(yàn)方法的現(xiàn)狀，本文采用有限元仿真研究永磁無(wú)刷力矩電機(jī)的零位設(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁無(wú)刷力矩電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間零位確定方法的研究，得到了基于有限元精確確定電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子零位的方法，并通過實(shí)測(cè)驗(yàn)證了該方法的有效性，本文設(shè)計(jì)方法可實(shí)現(xiàn)永磁無(wú)刷力矩電機(jī)零位的正向設(shè)計(jì)，具備一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 永磁無(wú)刷力矩電機(jī)零位分析

以38極36槽的分裝式永磁無(wú)刷力矩電機(jī)為例，其定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分別如圖1和圖2所示，將定子槽進(jìn)行逆時(shí)針方向編號(hào)，根據(jù)電機(jī)安裝的位置要求，電機(jī)的定子零位需要設(shè)計(jì)在1號(hào)槽和36號(hào)槽之間齒的中心線上，同樣將轉(zhuǎn)子的磁鋼按逆時(shí)針方向進(jìn)行編號(hào)，N極磁鋼和S極磁鋼的位置交替分布，轉(zhuǎn)子的零位需要設(shè)計(jì)在1號(hào)磁鋼(N極)與38號(hào)磁鋼(S極)之間的磁軛中心線上。當(dāng)A相通正電，B、C相通負(fù)電時(shí)，電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子的零位線在水平中心線對(duì)齊。

圖1 永磁無(wú)刷力矩電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)圖

圖2 永磁無(wú)刷力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極關(guān)系圖

2 永磁無(wú)刷力矩電機(jī)的建模與仿真

2.1 電機(jī)的建模

以一臺(tái)38極36槽的永磁無(wú)刷力矩電機(jī)為研究對(duì)象，其主要參數(shù)見表1。

表1 永磁無(wú)刷力矩電機(jī)的主要參數(shù)

在ANSOFT Maxwell中建立永磁無(wú)刷力矩電機(jī)的二維有限元全周期分析模型如圖3所示。定子永磁繞組分別用紅色、黃色、綠色表示，轉(zhuǎn)子N極磁鋼用藍(lán)色表示，S極磁鋼用青色表示。

圖3 電機(jī)的有限元模型

永磁無(wú)刷力矩電機(jī)的仿真模型建立以后，根據(jù)無(wú)刷力矩電機(jī)零位的定義，對(duì)電機(jī)的定子永磁繞組施加直流電流激勵(lì)，A相通+5A，B相和C相通-5A，以定子的預(yù)定零位為基準(zhǔn)，仿真轉(zhuǎn)子的零位線位置，仿真流程如圖4所示，仿真定子和轉(zhuǎn)子的定位轉(zhuǎn)矩，得到其過零點(diǎn)的位置角度，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的過零點(diǎn)位置角度，即獲得轉(zhuǎn)子S極和N極磁鋼的零位。

圖4 仿真分析流程

2.2 零位仿真分析

圖6中的位置為永磁無(wú)刷力矩電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的初始位置，設(shè)置初始位置角度為0°，轉(zhuǎn)速為1°/s，在一個(gè)周期45 s內(nèi)運(yùn)行，經(jīng)過仿真得到定子和轉(zhuǎn)子的定位力矩變化曲線，如圖5所示， 可看出在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期范圍內(nèi)，定轉(zhuǎn)子的定位力矩兩次出現(xiàn)過零點(diǎn)，第一個(gè)過零點(diǎn)的位置角度為6.58°，第二個(gè)過零點(diǎn)的為16.06°，兩個(gè)過零點(diǎn)角度分別是S極磁鋼和N極磁鋼零位線的位置角度。

圖5 定子和轉(zhuǎn)子定位力矩變化曲線

當(dāng)轉(zhuǎn)子從初始位置逆時(shí)針轉(zhuǎn)過6.58°后，定子和轉(zhuǎn)子的位置如圖6所示，S極磁鋼在X正方向與定子預(yù)定零位線對(duì)齊，該位置點(diǎn)即為S極磁鋼的零位線位置。當(dāng)轉(zhuǎn)子從初始位置逆時(shí)針轉(zhuǎn)過16.06°后，定子和轉(zhuǎn)子的位置如圖7所示，N極磁鋼在X正方向與定子預(yù)定零位線對(duì)齊，該位置點(diǎn)即為N極磁鋼的零位線位置。38極36槽永磁無(wú)刷力矩電機(jī)共有38個(gè)零位位置，S極磁鋼和N極磁鋼的零位在圖6和圖7的位置上重復(fù)交替分布。

圖6 電機(jī)S極磁鋼零位線位置

圖7 電機(jī)N極磁鋼零位線位置

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文以一臺(tái)38極36槽樣機(jī)進(jìn)行了定子和轉(zhuǎn)子的零位測(cè)試，樣機(jī)的轉(zhuǎn)子上以刻線的方式標(biāo)記出仿真的S極磁鋼零位線和N極磁鋼零位線，定子的零位線已預(yù)先設(shè)定，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證有限元法確定永磁無(wú)刷力矩電機(jī)零位的準(zhǔn)確性和精度，從而為精確確定永磁無(wú)刷力矩電機(jī)零位提供設(shè)計(jì)依據(jù)。圖 8為樣機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子，圖 9為樣機(jī)零位的實(shí)測(cè)位置。

圖8 試驗(yàn)樣機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子

根據(jù)零位檢測(cè)法，給樣機(jī)的A相繞組施加+5A，B相和C相連接一起施加-5A的直流電流，且使轉(zhuǎn)子S極零位線與定子零位線的夾角在一個(gè)較小角度范圍內(nèi)，此位置定義為定子和轉(zhuǎn)子的初始位置，通電后，轉(zhuǎn)子從初始位置轉(zhuǎn)過一定的角度，定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置穩(wěn)定后，觀察到轉(zhuǎn)子的S極磁鋼零位線與定子的零位線完全對(duì)齊，如圖 9所示。斷電后，重新調(diào)整初始位置，使轉(zhuǎn)子N極磁鋼零位線與定子零位線的夾角在一個(gè)較小角度范圍內(nèi)，再次通電，轉(zhuǎn)子從初始位置轉(zhuǎn)過一定的角度，定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置固定后，觀察到轉(zhuǎn)子的N極零位線與定子的零位線完全對(duì)齊。試驗(yàn)結(jié)果說明，永磁無(wú)刷力矩電機(jī)通過有限元仿真方法確定的零位精度極高，完全能滿足電機(jī)可靠起動(dòng)對(duì)定子和轉(zhuǎn)子零位偏差高精度的要求。

圖9 樣機(jī)S極磁鋼零位線位置

4 結(jié)論

本文針對(duì)永磁無(wú)刷力矩電機(jī)零位確定方法進(jìn)行了研究，提出了基于有限元精確確定永磁無(wú)刷力矩電機(jī)零位的方法，利用ANSOFT Maxwell對(duì)電機(jī)在直流電流激勵(lì)下，定子和轉(zhuǎn)子的定位轉(zhuǎn)矩進(jìn)行仿真和計(jì)算，分別得到了電機(jī)轉(zhuǎn)子N極磁鋼和S極磁鋼的零位位置，并通過研制樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

1)永磁無(wú)刷力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)子零位數(shù)量與電機(jī)的極數(shù)相同，僅存在N極和S極兩種不同角度的零位，電機(jī)所有零位在定子圓周上中心對(duì)稱、交替分布；

2)本文所采用的基于有限元分析永磁無(wú)刷力矩電機(jī)零位的方法準(zhǔn)確，得到的零位角度精度高，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果的符合性達(dá)到97%以上?？梢詫⒋朔N仿真分析方法推廣到永磁無(wú)刷力矩電機(jī)零位的設(shè)計(jì)中，對(duì)提高永磁無(wú)刷力矩電機(jī)的零位精度有較強(qiáng)的參考意義。