T形转子无刷伺服电动机磁场的谐波分析

　摘要：以36槽8极面装式无刷伺服电动机为例，采用Maxwel2D有限元分析软件和MATLAB数学分析软件，分析了T形转子主要参数以及磁钢对谐波磁场的影响，为高速无刷伺服电动机T形转子的优化设计奠定了基础。

0引  言

   近年来，永磁无刷伺服电动机(亦称永磁同步电动机，以下简称无刷伺服电动机)发展非常迅速。特别是无刷伺服电动机的转速越来越高，一般高达数千r／min，甚至超过l0000 r／min对于高速无刷伺服电动机来说，面临着转子磁钢固定上的困难。尽管内置式无刷伺服电动机转子磁钢易于固定，但转子结构及装配工艺比较复杂，现在还是以面装式

(即转子表面粘贴磁钢)无刷伺服电动机的应用居多。对于面装式高速无刷伺服电动机转子磁钢的固定来说，目前一般采用无纬玻璃丝带绑扎，这种工艺比较费工时，且受气隙空间的限制。

   新型T形结构转子可以很好地解决面装式高速无刷伺服电动机转子磁钢的固定问题。这种转子在相邻磁钢之间增加一个T形结构．其作用在于：一是用于磁钢的安装同定；二是它可以产生凸极效应，提高电机功率密度，实现弱磁控制，扩大电机的调速范围；三是合理的磁钢和T形结构设计，可以有效地削弱谐波磁场，使电机气隙磁密更接近正弦波。

本文以36槽／8极丽装式无刷伺服电动机为例，使用工程上广泛应用的Maxwell 2D有限元分析软件和MATLAB数学分析软件，分析了T形转子主要参数以及磁钢对谐波磁场的影响，为高速无刷伺服电动机T形转子的优化设计奠定了基础。

l    T形转子磁钢对谐波磁场的影响

   目前，高性能伺服无刷电动机大都采用钕铁硼磁钢，面装式转子通常选用等厚或等径的瓦形磁钢，图l、图2分别为等厚和等径两种磁钢的T形结构转子示意图。本文分析示例所用的磁钢材料型号为38SH钕铁硼，定转子铁心由冷轧硅钢片制造，并假定电机空载。

图l等厚磁钢电机的T形转子              图2等径磁钢电机的T形转子

图3、图4分别为等厚和等径两种磁钢无刷伺服电动机的磁场分布图。

   图3等厚磁钢电机的磁场分布              图4等径磁钢电机的磁场分布

图5、图6分别为一对极下等厚和等径两种磁钢无刷伺服电动机的气隙磁密波形图。

图5等厚磁钢电机的气隙磁密波形         图6等径磁钢电机的气隙磁密波形

图7、图8分别为等厚和等径两种磁钢无刷伺服电动机气隙磁密的谐波分析图。

图7等厚磁钢电机的气隙磁密的谐波分析     图8等径磁钢电机的气隙磁密的谐波分析

   由图5～图8可见，采用等厚磁钢电机的空载气隙磁密波形接近梯形波，主要谐波成分为3、5次，其中B次谐波幅值约为基波幅值的1／4；等径磁钢产生的空载气隙磁密接近正弦波，主要谐波成分为3、5、7次，其中3次谐波较小，5、7次谐波幅值约为基波幅值的1／10。

  图9、图10分别为无T形结构转子，即圆柱形转子采用等径磁钢时的气隙磁密波形图和谐波分析图。

   图9等径磁钢电机的气隙磁密波形          图10等径磁钢电机的气隙磁密谐波分析

上图表明，电机空载气隙磁密波形接近梯形波，主要谐波成分为3次谐波，其幅值接近基波幅值的1／5。可见，转子增加了T形结构之后，由于极间漏磁的缘故，气隙磁密的谐波分布得以改变，3次谐波被明显削弱，电机空载气隙磁密波形更接近正弦波。

2 T形结构对谐波磁场的影响

下面进一步分析采用等径磁钢时T形结构主要尺寸，即T形结构的弧角φ、底宽b(如图11所示)以及气隙δ大小对空载气隙磁密谐波幅值的影响。以下分析中磁钢偏心距均为a=3 mm(如图12所示)。

图11 T形结构有关尺寸                   图12等径磁钢的偏心距

2．1φ角对谐波磁场的影响

 当T形结构底宽6=2 mm、δ=1．5 mm时，φ角大小与各次谐波幅值关系如图13所示。当φ＜25°时，各次谐波幅值都较小；特别是当15°＜φ<20°，各次谐波幅值更小；但当φ＞25°，各次谐波幅值开始增大，3次谐波更是急剧上升。可见，设计φ角应避免大于25°，一般宜在15°一20°。

2．2  底宽6对谐波磁场的影响

 当T形结构弧角φ=18°、δ=1．5 mm时，底宽b与各次谐波幅值关系如图14所示。当T形结构底宽b＜2mm时，此处磁路发生严重的饱和，各次谐波幅值都较小，与圆柱形转子情况相似；当2 mm＜b＜3.4mm时，各次谐波幅值也不大，且基本不变；当6＞3 .4mm时，3次谐波幅值急剧上升，此时极间漏磁明显增大，气隙磁密波形发生畸变。因此，在保证机械强度的前提下，底宽b在2～3.4 mm比较合适。

   图13谐波幅值与φ角关系曲线             图14谐波幅值与b的关系曲线

2 ．3气隙δ对谐波磁场的影响

 当弧角φ：18°、底宽6：2 nlm时，气隙δ大小与各次谐波幅值关系如图15所示。图中，3次谐波值的大小与气隙长度呈线性关系，且随着气隙增大而减小；除3、5次谐波幅值的变化较为明显外，其它各次谐波幅值均无明显变化，而且幅值都比较小，对气隙磁密波形影响不大。显然，增大电机气隙对削弱谐波磁场，特别是3次谐波磁场有利，但这会加大磁钢的用量，提高电机成本，因此，气隙也不宜设计过大。

当a=3 mm、δ=1．5 mm、9=18°、b=2 mm时气隙磁密谐波分布图如图16所示。此时各次谐波基本为零，电机气隙磁密接近理想的正弦波，这是一组比较好的设计数据。需要指出的是，上面是仅从磁场分析角度得出的结果，设计上还要综合考虑机械强度和凸极效应等方面的要求。

图15一谐波幅值与气隙δ角关系曲线              图16空载气隙磁密的谐波分析

3  结语

 高速无刷伺服电动机的T形结构转子不仅能很好地解决磁钢吲定问题，更重要的是可以通过优化磁钢和T形结构设计来削弱气隙谐波磁场；与等厚磁钢相比，在T形结构中选用等径磁钢，气隙磁密更接近正弦波，且磁钢加工成本相对较低，因此具有很好的应用前景。