永磁伺服电机转矩波动与电感特性研究

作     者：黄木兴 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：许强

授予年度：2021年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：永磁同步伺服电动机 电磁设计 转矩波动 电感特性 优化方法 

摘      要：伺服系统是工业制造的核心组成部分,而国内产品与外国相比还有较大差距,为了使我国迈向制造强国,必须深入研究。作为伺服系统的传动机构,永磁同步电动机以其高功率密度得到了广泛的应用,然而永磁电机有两大缺陷,即转矩波动问题和电感变化问题,前者降低了系统的精度,后者限制了系统的响应速度。因此,研究抑制转矩波动的方法和研究电感变化的规律,具有重要的学术价值和工程意义。本文首先对永磁电机的理论进行了阐述,指出了各种结构的优缺点,推导了永磁电机的数学模型,为了明确伺服电机的优化设计方向,本文基于能量法推导了齿槽转矩的表达式,基于电磁功率推导了纹波转矩,并推导了过载能力和最高转速的表达式。其次本文给出了伺服电机的解析设计方法,并根据该方法设计出了一台表贴式的永磁电机,有限元仿真显示该方案达到了设计指标要求,但是性能还可以进一步完善。在该模型的基础上,研究了偏心距、极弧系数、斜极方法、槽口宽度、齿靴高度以及辅助槽等结构参数对转矩波动的影响。基于田口正交法,对多设计变量的初始模型进行了多目标的优化,优化效果非常明显。接着设计出两台不同转子结构的内置式电机,以径向式电机为例研究了粒子群算法在电机优化过程中的作用。解释了电感变化的内在原因及其仿真方法,并采用冻结磁导率技术计算了设计模型参数变化时交轴电感的变化规律,证明了采用不均匀气隙方案可以同时优化转矩波动问题和电感变化问题。最后根据设计出的表贴式电机和内置式电机方案,分别制作了样机进行测试,验证了设计的合理性;提出了一种借助上位机软件快速反映转矩波动大小的方法,采用该方法证明了本文提出的转矩波动抑制方案是有效的;通过电流环增益与电流响应的关系定性分析了电感的变化趋势。总结上述所做工作,本文对转矩波动的抑制采用了田口正交法与粒子群算法的两种优化方法,均取得很好的效果,可为电机的相关设计工作提供借鉴;研究了交直轴电感的仿真方法,并采用仿真方法计算了各种结构参数变化后的电感特性;制作了表贴式与内置式的两台样机,实测数据验证了设计的合理性。