极槽配合对铁氧体永磁电机转子初始角定位的影响

引言

由于钦铁硼永磁材料价格的不断上升,人们开始关注低成本铁氧体永磁材料在高性能永磁电机中的应用。因此,研究低成本、高性能的铁氧体永磁辅助式磁阻同步伺服电动机（以下简称铁氧体伺服电机）便成为一个有实际意义的课题[1-4]。铁氧体伺服电机是一种新型的伺服电机,其结构和工作原理与普通钦铁硼永磁同步伺服电机(以下简称钦铁硼伺服电机）有很大的不同。针对交流伺服电机驱动系统的设计,工业上最常用的转子位置初始化方式为将定子磁场定位在A相轴线,通过磁场的相互作用使转子磁场d轴与A相轴线重合,从而确定转子的初始位置角度。但是铁氧体伺服电机采用上述方法时无法得到准确的转子d轴角度,所以需要针对该电机进行深入的分析和研究。

1多极值点问题

当铁氧体伺服电机静态转矩曲线出现多个极值点时,难以实现电机启动时的准确定位,使电机启动困难。图1是应用有限元软件扫描得到的钦铁硼伺服电机和铁氧体伺服电机的静态转矩曲线,可见钦铁硼伺服电机只有一个极值点,而铁氧体伺服电机有两个极值点,前者可以实现电机启动时的准确定位,后者的定位则比较困难。

图1电机静态转矩的仿真曲线

解决铁氧体伺服电机启动时的准确定位问题有两种方法:一是选择合理的定位启动控制策略,文献针对铁氧体伺服电机静态转矩存在两个极值点的问题,提出了改进的磁定位启动策略,同时引入了零度位置辨识与补偿算法,实现电机平滑稳定启动,达到了较好效果:二是从电机设计着手,通过优化转子设计,消除电机静态转矩的多个极值点。

铁氧体伺服电机静态转矩曲线是否出现多个极值点与极槽配合有关。图2为4极/21槽分布绕组铁氧体伺服电机的仿真模型,图3给出了不同永磁磁链时4极/21槽分布绕组铁氧体伺服电机的静态转矩仿真曲线。由图3可知,当永磁磁链不同时,4极/21槽分布绕组铁氧体伺服电机静态转矩曲线始终出现了两个极值点。显然,对于4极/21槽分布绕组铁氧体伺服电机只能通过控制的方法实现转子的准确定位。

然而集中绕组铁氧体伺服电机静态转矩曲线是否出现多个极值点则与永磁磁链大小有关。图4为6极/9槽集中绕组铁氧体伺服电机的仿真模型,图5给出了不同永磁磁链时6极/9槽集中绕组铁氧体伺服电机的静态转矩仿真曲线。当永磁磁链ψpm<0.36wb时,电机静态转矩曲线出现了两个极值点,且永磁磁链越低,极值转矩越大:当ψpm≥0.36wb时,只剩下一个极值点。显然,铁氧体伺服电机存在一个临界永磁磁链ψpmcr,本文ψpmcr=0.36wb,当ψpm<ψpmcr,静态转矩曲线会出现两个极值点,当ψpm≥ψpmcr,静态转矩曲线只有一个极值点。

基于上述分析,铁氧体伺服电机的设计要选择合适的极槽配合和永磁磁链,尽量避免电机静态转矩特性出现多个极值点,以实现电机启动时的准确定位。

2样机与实验

1kw铁氧体伺服电机样机(以下简称样机）主要技术数据如表1所示。图6是样机嵌入铁氧体磁钢后的转子铁芯实物照片,图7为样机一相空载电动势的现场实验和场路联合仿真波形。

然而集中绕组铁氧体伺服电机静态转矩曲线是否出现多个极值点则与永磁磁链大小有关。图4为6极/9槽集中绕组铁氧体伺服电机的仿真模型,图5给出了不同永磁磁链时6极/9槽集中绕组铁氧体伺服电机的静态转矩仿真曲线。当永磁磁链ψpm<0.36wb时,电机静态转矩曲线出现了两个极值点,且永磁磁链越低,极值转矩越大:当ψpm≥0.36wb时,只剩下一个极值点。显然,铁氧体伺服电机存在一个临界永磁磁链ψpmcr,本文ψpmcr=0.36wb,当ψpm<ψpmcr,静态转矩曲线会出现两个极值点,当ψpm≥ψpmcr,静态转矩曲线只有一个极值点。

基于上述分析,铁氧体伺服电机的设计要选择合适的极槽配合和永磁磁链,尽量避免电机静态转矩特性出现多个极值点,以实现电机启动时的准确定位。

2样机与实验

1kw铁氧体伺服电机样机(以下简称样机）主要技术数据如表1所示。图6是样机嵌入铁氧体磁钢后的转子铁芯实物照片,图7为样机一相空载电动势的现场实验和场路联合仿真波形。

图46极/9槽铁氧体伺服电机仿真模型

图56极/9槽铁氧体伺服电机静态转矩仿真曲线

表1样机主要技术数据

表1中铁氧体永磁材料有两个牌号,先后装入样机转子,电机静态转矩曲线都出现了两个极值点。按文献[5]的启动控制策略,对嵌入牌号Y30的样机进行现场实验。图8为样机速度响应实验波形,图8(a）为给定转速为500r/min的转速响应波形,图8(b）为给定不同转速(300r/min、500r/min、1000r/min）时的阶跃速度响应曲线,可以看出,电机可以平稳启动,电机启动后,动态性能良好。

图8样机速度响应实验波形

3结语

本文以1kw铁氧体伺服电机为例,运用有限元仿真方法,就铁氧体伺服电机启动设计中静态转矩的多极值点问题进行了详细分析,得到了铁氧体辅助式永磁电机的静态转矩与电机结构和转子磁链有关的结论,总结了相关电磁参数对转矩极值点的影响规律,最后阐述了笔者研制的一台铁氧体伺服电机样机及部分实验结果。