高性能永磁同步伺服电机关键技术研究

摘要

对于表贴式转子结构永磁同步伺服电机难以满足高速伺服电机的需要，为此本文研究高性能内置式转子结构永磁同步伺服电机，这种伺服电机的内置式转子可以高速运行，结构安全可靠，磁钢加工成本较低。然而内置式转子结构其磁场谐波含量大，直交轴磁路不对称使得电机电磁转矩和电磁振动与噪声性能变差，因此，本文研究内置式高性能伺服电机转子结构具有较高的理论和实际意义。 论文第1章分别综述了永磁同步电机转子磁极偏移和转子开槽削弱齿槽和纹波转矩以及改善永磁同步电机电磁振动与噪声的研究现状。论文第2章研究了内置式转子结构磁极偏移削弱齿槽转矩的场路结合分析方法，运用等效思想建立内置式转子结构表贴式等效模型，求解出等效模型齿槽转矩随磁极偏移角度的函数表达式，进而确定等效模型的磁极偏移角度，即为内置式转子结构齿槽转矩削弱的磁极偏移角度，有限元仿真验证了内置式转子结构其表贴式等效模型建立的合理性。论文第3章研究了内置式永磁同步伺服电机转子内部切向开槽改善空载磁场谐波削弱电机纹波转矩降低电机转矩脉动，分别通过解析和有限元仿真分析了切向槽宽度、长度及其位置等对纹波转矩的影响，并且运用等效护套方法解析分析了切向槽转子的结构应力以及有限元方法的仿真验证。论文第4章研究了高性能永磁同步伺服电机电磁振动与噪声，对比了两种形状机壳电机固有模态，讨论了转子磁极不同磁极偏移角度和切向开槽长度对电机低阶力波幅值和极倍数次力波幅值的影响，仿真分析了转子磁极不同磁极偏移角度和切向开槽长度时圆形和方形机壳电机的电磁振动和噪声。论文第5章介绍了内置式永磁同步伺服电机样机试制及实验情况，在分别试制了额定功率为3.7kW磁极偏移和切向开槽两种转子样机，对二台样机进行了空载发电和电动实验，齿槽转矩测量实验，采用锤击法的模态实验以及电磁振动与噪声实验，测量了电机的固有模态频率和电磁振动与噪声，并与仿真结果进行对比分析，验证了有限元仿真方法的正确性。论文第6章对全文进行了总结。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究目的和意义

1.2 齿槽转矩研究现状

1.3 谐波磁场的纹波转矩研究现状

1.4 电磁振动与噪声研究现状

1.5 本文主要章节安排

第2章 磁极偏移削弱齿槽转矩研究

2.1 永磁同步伺服电机电磁设计

2.1.1 主要尺寸的确定

2.1.2 气隙的选取

2.1.3 极槽配合

2.1.4 转子磁极结构与永磁体设计

2.1.5 定子绕组与定子槽设计

2.1.6 电机材料的选取

2.2 基于能量法对齿槽转矩的解析分析

2.2.1 齿槽转矩的产生机理

2.2.2 齿槽转矩的解析分析

2.3 内置式转子结构磁极偏移的等效模型

2.3.1 等效模型的建立

2.3.2 偏移角度的解析计算

2.3.3 有限元的仿真验证

2.4 磁极偏移对电磁性能的影响

2.4.1 磁极偏移对电机空载磁场和反电动势的影响

2.4.2 磁极偏移对电磁转矩性能的影响

2.5 本章小结

第3章 转子切向开槽削弱电机纹波转矩研究

3.1 V字形转子结构的优化

3.1.1 转子结构优化对电机齿槽转矩的影响

3.1.2 转子结构优化对电机电磁性能的影响

3.2 基于能量法对纹波转矩的解析分析

3.3 转子切向开槽削弱纹波转矩

3.3.1 转子结构切向开槽

3.3.2 纹波转矩的解析与有限元对比

3.4 切向开槽转子应力研究

3.4.1 切向开槽转子应力解析分析

3.4.2 转子应力的等效计算和有限元仿真对比

3.5 本章小结

第4章 转子结构对伺服电机电磁振动与噪声影响研究

4.1 伺服电机模态分析

4.1.1 电机模态的解析和有限元分析

4.1.2 定子结构的固有模态

4.1.3 不同形状机壳对定子固有模态的影响

4.2 伺服电机电磁力波分析

4.2.1 力波的解析分析

4.2.2 不同磁极偏移角度径向力波分析

4.2.3 不同切向开槽长度径向力波分析

4.3 伺服电机电磁振动与噪声分析

4.3.1 伺服电机电磁振动与噪声的理论分析

4.3.2 不同偏移角度度电磁振动与噪声仿真分析

4.3.3 不同切向槽长度电磁振动与噪声仿真分析

4.4 本章小结

第5章 高性能伺服电机实验研究

5.1 样机设计与制作

5.2 样机的性能实验

5.2.1 空载发电实验

5.2.2 空载电动实验

5.2.3 样机齿槽转矩实验

5.3 电磁振动与噪声实验

5.3.1 模态实验

5.3.2 电磁振动与噪声实验

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

附录