極槽配合對(duì)鐵氧體永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子初始角定位的影響

引言

由于欽鐵硼永磁材料價(jià)格的不斷上升,人們開(kāi)始關(guān)注低成本鐵氧體永磁材料在高性能永磁電機(jī)中的應(yīng)用。因此,研究低成本、高性能的鐵氧體永磁輔助式磁阻同步伺服電動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)鐵氧體伺服電機(jī)）便成為一個(gè)有實(shí)際意義的課題[1-4]。鐵氧體伺服電機(jī)是一種新型的伺服電機(jī),其結(jié)構(gòu)和工作原理與普通欽鐵硼永磁同步伺服電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)欽鐵硼伺服電機(jī)）有很大的不同。針對(duì)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),工業(yè)上最常用的轉(zhuǎn)子位置初始化方式為將定子磁場(chǎng)定位在A相軸線,通過(guò)磁場(chǎng)的相互作用使轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)d軸與A相軸線重合,從而確定轉(zhuǎn)子的初始位置角度。但是鐵氧體伺服電機(jī)采用上述方法時(shí)無(wú)法得到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子d軸角度,所以需要針對(duì)該電機(jī)進(jìn)行深入的分析和研究。

1多極值點(diǎn)問(wèn)題

當(dāng)鐵氧體伺服電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線出現(xiàn)多個(gè)極值點(diǎn)時(shí),難以實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的準(zhǔn)確定位,使電機(jī)啟動(dòng)困難。圖1是應(yīng)用有限元軟件掃描得到的欽鐵硼伺服電機(jī)和鐵氧體伺服電機(jī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線,可見(jiàn)欽鐵硼伺服電機(jī)只有一個(gè)極值點(diǎn),而鐵氧體伺服電機(jī)有兩個(gè)極值點(diǎn),前者可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的準(zhǔn)確定位,后者的定位則比較困難。

圖1電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的仿真曲線

解決鐵氧體伺服電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的準(zhǔn)確定位問(wèn)題有兩種方法:一是選擇合理的定位啟動(dòng)控制策略,文獻(xiàn)針對(duì)鐵氧體伺服電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩存在兩個(gè)極值點(diǎn)的問(wèn)題,提出了改進(jìn)的磁定位啟動(dòng)策略,同時(shí)引入了零度位置辨識(shí)與補(bǔ)償算法,實(shí)現(xiàn)電機(jī)平滑穩(wěn)定啟動(dòng),達(dá)到了較好效果:二是從電機(jī)設(shè)計(jì)著手,通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì),消除電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的多個(gè)極值點(diǎn)。

鐵氧體伺服電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線是否出現(xiàn)多個(gè)極值點(diǎn)與極槽配合有關(guān)。圖2為4極/21槽分布繞組鐵氧體伺服電機(jī)的仿真模型,圖3給出了不同永磁磁鏈時(shí)4極/21槽分布繞組鐵氧體伺服電機(jī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩仿真曲線。由圖3可知,當(dāng)永磁磁鏈不同時(shí),4極/21槽分布繞組鐵氧體伺服電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線始終出現(xiàn)了兩個(gè)極值點(diǎn)。顯然,對(duì)于4極/21槽分布繞組鐵氧體伺服電機(jī)只能通過(guò)控制的方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確定位。

然而集中繞組鐵氧體伺服電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線是否出現(xiàn)多個(gè)極值點(diǎn)則與永磁磁鏈大小有關(guān)。圖4為6極/9槽集中繞組鐵氧體伺服電機(jī)的仿真模型,圖5給出了不同永磁磁鏈時(shí)6極/9槽集中繞組鐵氧體伺服電機(jī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩仿真曲線。當(dāng)永磁磁鏈ψpm<0.36wb時(shí),電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線出現(xiàn)了兩個(gè)極值點(diǎn),且永磁磁鏈越低,極值轉(zhuǎn)矩越大:當(dāng)ψpm≥0.36wb時(shí),只剩下一個(gè)極值點(diǎn)。顯然,鐵氧體伺服電機(jī)存在一個(gè)臨界永磁磁鏈ψpmcr,本文ψpmcr=0.36wb,當(dāng)ψpm<ψpmcr,靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)極值點(diǎn),當(dāng)ψpm≥ψpmcr,靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線只有一個(gè)極值點(diǎn)。

基于上述分析,鐵氧體伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)要選擇合適的極槽配合和永磁磁鏈,盡量避免電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性出現(xiàn)多個(gè)極值點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的準(zhǔn)確定位。

2樣機(jī)與實(shí)驗(yàn)

1kw鐵氧體伺服電機(jī)樣機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)樣機(jī)）主要技術(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。圖6是樣機(jī)嵌入鐵氧體磁鋼后的轉(zhuǎn)子鐵芯實(shí)物照片,圖7為樣機(jī)一相空載電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和場(chǎng)路聯(lián)合仿真波形。

然而集中繞組鐵氧體伺服電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線是否出現(xiàn)多個(gè)極值點(diǎn)則與永磁磁鏈大小有關(guān)。圖4為6極/9槽集中繞組鐵氧體伺服電機(jī)的仿真模型,圖5給出了不同永磁磁鏈時(shí)6極/9槽集中繞組鐵氧體伺服電機(jī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩仿真曲線。當(dāng)永磁磁鏈ψpm<0.36wb時(shí),電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線出現(xiàn)了兩個(gè)極值點(diǎn),且永磁磁鏈越低,極值轉(zhuǎn)矩越大:當(dāng)ψpm≥0.36wb時(shí),只剩下一個(gè)極值點(diǎn)。顯然,鐵氧體伺服電機(jī)存在一個(gè)臨界永磁磁鏈ψpmcr,本文ψpmcr=0.36wb,當(dāng)ψpm<ψpmcr,靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)極值點(diǎn),當(dāng)ψpm≥ψpmcr,靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線只有一個(gè)極值點(diǎn)。

基于上述分析,鐵氧體伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)要選擇合適的極槽配合和永磁磁鏈,盡量避免電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性出現(xiàn)多個(gè)極值點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的準(zhǔn)確定位。

2樣機(jī)與實(shí)驗(yàn)

1kw鐵氧體伺服電機(jī)樣機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)樣機(jī)）主要技術(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。圖6是樣機(jī)嵌入鐵氧體磁鋼后的轉(zhuǎn)子鐵芯實(shí)物照片,圖7為樣機(jī)一相空載電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和場(chǎng)路聯(lián)合仿真波形。

圖46極/9槽鐵氧體伺服電機(jī)仿真模型

圖56極/9槽鐵氧體伺服電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩仿真曲線

表1樣機(jī)主要技術(shù)數(shù)據(jù)

表1中鐵氧體永磁材料有兩個(gè)牌號(hào),先后裝入樣機(jī)轉(zhuǎn)子,電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線都出現(xiàn)了兩個(gè)極值點(diǎn)。按文獻(xiàn)[5]的啟動(dòng)控制策略,對(duì)嵌入牌號(hào)Y30的樣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。圖8為樣機(jī)速度響應(yīng)實(shí)驗(yàn)波形,圖8(a）為給定轉(zhuǎn)速為500r/min的轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形,圖8(b）為給定不同轉(zhuǎn)速(300r/min、500r/min、1000r/min）時(shí)的階躍速度響應(yīng)曲線,可以看出,電機(jī)可以平穩(wěn)啟動(dòng),電機(jī)啟動(dòng)后,動(dòng)態(tài)性能良好。

圖8樣機(jī)速度響應(yīng)實(shí)驗(yàn)波形

3結(jié)語(yǔ)

本文以1kw鐵氧體伺服電機(jī)為例,運(yùn)用有限元仿真方法,就鐵氧體伺服電機(jī)啟動(dòng)設(shè)計(jì)中靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的多極值點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析,得到了鐵氧體輔助式永磁電機(jī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與電機(jī)結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子磁鏈有關(guān)的結(jié)論,總結(jié)了相關(guān)電磁參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩極值點(diǎn)的影響規(guī)律,最后闡述了筆者研制的一臺(tái)鐵氧體伺服電機(jī)樣機(jī)及部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。