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数控机床永磁同步伺服电机转矩脉动特性的研究

李野  
【摘要】:本文运用有限元法对数控机床用永磁同步伺服电机的转矩脉动特性进行了研究,主要内容包括永磁电机气隙内磁场的分析,定子结构分析,转子磁极结构分析以及相对应的瞬态电磁场仿真分析等几个方面。对于表贴式永磁同步电机转矩脉动其主要组成部分包括齿槽转矩和纹波转矩。其中齿槽转矩的大小取决于永磁电机本体上的定子结构,纹波转矩主要取决于永磁电机定转子磁场之间的相互作用。因此,对永磁同步伺服电机进行动态电磁场分析,得到电动机内随时间和随位置变化的气隙磁场分析规律,为进一步削弱电机的转矩脉动奠定基础。本文以一台8极12槽永磁同步伺服电机作为研究对象,依据电磁学理论,采用解析法、有限元法相结合的方法,进行了如下研究:首先从理论上分析永磁电机齿槽转矩的产生机理,采用能量法对其做进一步的阐释,从理论分析定子闭口槽结构对永磁电机齿槽转矩的影响,得出永磁电机拼接式闭口槽定子结构,综合考虑槽满率,拼接处的二次气隙等影响因素。综合得到影响拼接式闭口槽结构的结构参数。其次从理论上分析理想状态下的磁极形状理论,将传统式瓦片式磁极与三段弧磁极进行对比,得出在削弱永磁电机转矩脉动方面,采用三段弧磁极要优越于传统瓦片式磁极,同时得出影响三段弧磁极的结构参数,并分析结构参数对电机转矩脉动的影响及影响程度。针对永磁电机本体结构参数对影响永磁电机齿槽转矩、转矩脉动的影响因素进行有限元仿真分析,得到永磁同步电机气隙内的磁通密度、磁力线分布以及磁密云图。再通过麦可斯韦应力张量法得到作用在永磁电机转子侧的切向电磁力以及作用在定子内表面的径向力。综合得到不同结构参数对永磁同步电机转矩脉动对转矩脉动的影响。最后采用三种多维度分析方法,对电机结构参数进行分析,综合得到最优的电机结构参数组合方案。为高性能、低转矩脉动永磁同步电机的设计提供了参考依据。


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