引言

由于欽鐵硼永磁材料價格的不斷上升,人們開始關(guān)注低成本鐵氧體永磁材料在高性能永磁電機中的應(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機（以下簡稱鐵氧體伺服電機）便成為一個有實際意義的課題[1-4]。鐵氧體伺服電機是一種新型的伺服電機,其結(jié)構(gòu)和工作原理與普通欽鐵硼永磁同步伺服電機(以下簡稱欽鐵硼伺服電機）有很大的不同。針對交流伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計,工業(yè)上最常用的轉(zhuǎn)子位置初始化方式為將定子磁場定位在A相軸線,通過磁場的相互作用使轉(zhuǎn)子磁場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采用上述方法時無法得到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子d軸角度,所以需要針對該電機進行深入的分析和研究。

1多極值點問題

當(dāng)鐵氧體伺服電機靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線出現(xiàn)多個極值點時,難以實現(xiàn)電機啟動時的準(zhǔn)確定位,使電機啟動困難。圖1是應(yīng)用有限元軟件掃描得到的欽鐵硼伺服電機和鐵氧體伺服電機的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線,可見欽鐵硼伺服電機只有一個極值點,而鐵氧體伺服電機有兩個極值點,前者可以實現(xiàn)電機啟動時的準(zhǔn)確定位,后者的定位則比較困難。

圖1電機靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的仿真曲線

解決鐵氧體伺服電機啟動時的準(zhǔn)確定位問題有兩種方法:一是選擇合理的定位啟動控制策略,文獻針對鐵氧體伺服電機靜態(tài)轉(zhuǎn)矩存在兩個極值點的問題,提出了改進的磁定位啟動策略,同時引入了零度位置辨識與補償算法,實現(xiàn)電機平滑穩(wěn)定啟動,達到了較好效果:二是從電機設(shè)計著手,通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子設(shè)計,消除電機靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的多個極值點。

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

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

基于上述分析,鐵氧體伺服電機的設(shè)計要選擇合適的極槽配合和永磁磁鏈,盡量避免電機靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性出現(xiàn)多個極值點,以實現(xiàn)電機啟動時的準(zhǔn)確定位。

2樣機與實驗

1kw鐵氧體伺服電機樣機(以下簡稱樣機）主要技術(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。圖6是樣機嵌入鐵氧體磁鋼后的轉(zhuǎn)子鐵芯實物照片,圖7為樣機一相空載電動勢的現(xiàn)場實驗和場路聯(lián)合仿真波形。

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

基于上述分析,鐵氧體伺服電機的設(shè)計要選擇合適的極槽配合和永磁磁鏈,盡量避免電機靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性出現(xiàn)多個極值點,以實現(xiàn)電機啟動時的準(zhǔn)確定位。

2樣機與實驗

1kw鐵氧體伺服電機樣機(以下簡稱樣機）主要技術(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。圖6是樣機嵌入鐵氧體磁鋼后的轉(zhuǎn)子鐵芯實物照片,圖7為樣機一相空載電動勢的現(xiàn)場實驗和場路聯(lián)合仿真波形。

圖46極/9槽鐵氧體伺服電機仿真模型

圖56極/9槽鐵氧體伺服電機靜態(tài)轉(zhuǎn)矩仿真曲線

表1樣機主要技術(shù)數(shù)據(jù)

表1中鐵氧體永磁材料有兩個牌號,先后裝入樣機轉(zhuǎn)子,電機靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線都出現(xiàn)了兩個極值點。按文獻[5]的啟動控制策略,對嵌入牌號Y30的樣機進行現(xiàn)場實驗。圖8為樣機速度響應(yīng)實驗波形,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）時的階躍速度響應(yīng)曲線,可以看出,電機可以平穩(wěn)啟動,電機啟動后,動態(tài)性能良好。

圖8樣機速度響應(yīng)實驗波形

3結(jié)語

本文以1kw鐵氧體伺服電機為例,運用有限元仿真方法,就鐵氧體伺服電機啟動設(shè)計中靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的多極值點問題進行了詳細分析,得到了鐵氧體輔助式永磁電機的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與電機結(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)對轉(zhuǎn)矩極值點的影響規(guī)律,最后闡述了筆者研制的一臺鐵氧體伺服電機樣機及部分實驗結(jié)果。