基于Ansoft的永磁交流伺服電動機轉(zhuǎn)矩波動分析

1、永磁電機專題2008年第 4期 15基于 Ansoft 的永磁交流 伺服電動機轉(zhuǎn)矩波動分析黃 越 唐任遠 韓雪巖(沈陽工業(yè)大學特種電機研究所,沈陽 110023摘要 永磁交流伺服電動機的轉(zhuǎn)矩波動直接影響系統(tǒng)的控制精度,是最為關(guān)注的伺服性能指 標之一。 本文基于 Ansoft 公司的 Maxswell 2D 的仿真環(huán)境, 建立了永磁交流伺服電動機的系統(tǒng)仿真 模型。在所建立的模型基礎上,對電機參數(shù)的改變對轉(zhuǎn)矩波動的影響進行了仿真研究,仿真結(jié)果 與實驗結(jié)果基本一致,為電機的優(yōu)化設計提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞:永磁交流伺服電動機;轉(zhuǎn)矩波動; AnsoftTorque Ripple Analysis of Pe

2、rmanent-magnetAC Servo Motor Base on AnsoftHuang Yue Tang Renyuan Han Xueyan(Shenyang University of Technology Research Institute of Special Electric Machines, Shenyang 110023Abstract Torque ripple of permanent-magnet AC servo motor directly influences system control accuracy, is one of the most att

3、ention performance index .This paper establish the modeling of permanent-magnet AC servo motor using Maxwell 2D of Ansoft corporation. According to the change of the motor parameters, the torque ripple is analyzed based on the model .Compared with experiment data , the simulation results are uniform

4、, and it offer optimized method.Key words:AC servo motor; torque ripple; Ansoft1 引言轉(zhuǎn)矩波動是各類伺服控制系統(tǒng)中最關(guān)注的伺服 性能指標之一,它是指電機在輸出轉(zhuǎn)矩圍繞預期給 定值而出現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩偏差。當偏差值的大小超出所規(guī) 定的范圍時,電機的伺服控制性能和控制精度將受 到不同程度的影響。由于鐵心的飽和效應、永磁體 的邊緣效應和磁路不平衡等因素的影響, 永磁交流 伺服電動機的動態(tài)性能較一般的電勵磁式電機有很 大的不同 1。因此設計參數(shù)前對電機的動態(tài)性能進 行計算機仿真就顯得十分重要。由于電機參數(shù)隨著 運行狀態(tài)變化,以固定

5、的參數(shù)代入方程求解勢必帶 來很大的誤差,同時傳統(tǒng)的參數(shù)計算方法也很難精 確計算永磁電機參數(shù)。因而,本文采用 Ansoft 公司 的 Maxswell 2D軟件建立永磁交流伺服電動機模型, 從而完成對它的仿真研究。2 轉(zhuǎn)矩波動分析(1 周期性變化,它表現(xiàn)為總是試圖將轉(zhuǎn)子定位在某些 位置,這個轉(zhuǎn)矩與定子電流無關(guān)。(2 紋波轉(zhuǎn)矩 :由電流和反電動勢波形的偏差引 起的諧波轉(zhuǎn)矩。永磁交流伺服電動機對外呈現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩波動是齒 槽轉(zhuǎn)矩和紋波轉(zhuǎn)矩共同引起的。3 模型的建立與仿真利用 Maxswell 2D, 建立永磁交流伺服電動機的 二維有限元模型 2。具體建模過程如下:(1確定電機結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù),畫出電機模型。永

6、磁電機專題 2008年第 4期(2確定電機材料屬性。(3確定有限元計算的邊界條件和外加源參數(shù)。 (4確定動態(tài)參量,包括:確定運動邊界; 確定外加載荷;確定時間步長等。完成以上四個步驟以后,就可以對此模型進行 瞬態(tài)場分析求解。本文對一臺表面式永磁交流伺服 電動機進行轉(zhuǎn)矩波動仿真。永磁體采用釹鐵硼永磁 材料,定轉(zhuǎn)子鐵心采用 DW470。時間步長取一個齒 槽下 5點。轉(zhuǎn)軸上加載 4.31N m 的額定負載轉(zhuǎn)矩, 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為 0.0042362kg m 。具體參數(shù)如表 1, 電機仿真模型如圖 1所示。表 1 電機主要參數(shù)項目數(shù)據(jù)相數(shù)極數(shù) 額定功率/ kW 0.9 電壓等級 / V 150 頻率 /

7、 Hz133定子槽數(shù) 定子外徑 定子內(nèi)徑 / mm 90 氣隙 / mm2.5圖 1 電機仿真模型為了與實驗進行對比,電機采用工頻 50Hz 、 750r/min,輸入電壓為正弦的情況下,仿真得圖 2。圖 2 氣隙磁密波形圖 3 氣隙磁密諧波分析從圖 3中可以知道 36槽的基波磁密為 0.401T , 波形畸變率為 15.033%。 36槽電機每極每相槽數(shù) q =32, 分母 D 為偶數(shù),產(chǎn)生的諧波次數(shù)為 2(31n D±±。分數(shù) 槽的優(yōu)點為:(1 增加繞組的分布系數(shù), 使反電動勢波形的 正弦性得到改善如圖 4(a和 (b所示,從而減小紋波 轉(zhuǎn)矩。 8極 36槽電機反電動勢

8、波形畸變率 2.84%,如 果將定子鐵心改為 48槽, 經(jīng)仿真得 8極 48槽電機反電 動勢波形畸變率為 7.45%。(a 8極 36槽電機(b 8極 48槽電機圖 4 分數(shù)槽對反電動勢的影響 永磁電機專題 2008年第 4期 17(2 電機的極距不是齒距角的整數(shù)倍, 不同極 下的齒槽所處磁場位置不同, 產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩相位 不同而相互抵消 3 如圖 5(a和 (b所示。通過仿真,最后得到電機仿真輸出轉(zhuǎn)矩波形如 圖 6所示。(a 8極 36槽電機(b 8極 48槽電機圖 5 分數(shù)槽對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響圖 6 50Hz 下仿真輸出轉(zhuǎn)矩波形根據(jù)中華人民共和國機械行業(yè)標準 JB/T 10274-2001,

9、數(shù)控機床交流伺服電動機通用技術(shù)條件可 知在轉(zhuǎn)矩波動率實驗中(本實驗電機為數(shù)控機床電機,要求在最高轉(zhuǎn)速的 10%下穩(wěn)定運行時來測定 轉(zhuǎn)矩波動大小,本電機額定轉(zhuǎn)速為 2000r/min,頻率 133Hz ,因此還需要在轉(zhuǎn)速為 200r/min,頻率 13.3Hz 時進行仿真。按照上述方法電機在 200r/min和 13.3Hz , 正弦電 壓供電時仿真得到 T -t 曲線如圖 7所示。圖 7 13.3Hz 下仿真輸出轉(zhuǎn)矩波形按照轉(zhuǎn)矩波動的公式max minmax min100%T T T T ×+得表 2。表 2 13.3Hz 和 50Hz 下仿真轉(zhuǎn)矩波動頻率 /Hz仿真 /%由表 2可

10、以發(fā)現(xiàn), 隨著頻率的降低, 轉(zhuǎn)矩波動反 而增大,這是因為轉(zhuǎn)速的增加,紋波轉(zhuǎn)矩可能被轉(zhuǎn) 子慣量所吸收 4。4 實驗驗證實驗采用 HBM 公司的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測試儀來測定, 它可以實時精確地測試電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,并且可 以和電腦聯(lián)機,通過電腦這個平臺,可以得到電機 的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速對時間的曲線,也可以得到轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn) 矩的曲線,從而可以很方便快捷地計算出電機的轉(zhuǎn) 矩和轉(zhuǎn)速波動率,為機床用、機器人用等電機提供 了很好的測試平臺。它可以達到 0.1級精度,儀器 的動態(tài)響應時間小于 5s 測試的最高轉(zhuǎn)速可以達到 15000r/min,最低轉(zhuǎn)速 2r/min。傳感器由轉(zhuǎn)子部分 和定子部分組成, 轉(zhuǎn)子部分連接在電機和負載

11、中間, 用于測試電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速;定子部分與轉(zhuǎn)子部分不 接觸,用于接收傳感器轉(zhuǎn)子部分發(fā)出的信號,然后 傳給放大器, 放大器可以對采集到的數(shù)據(jù)進行處理, 比如濾波,或者把所有的數(shù)據(jù)取絕對值等。以上這 些需要傳感器在與電機把裝過程中有較高的精度,2008年第 4期 并且對輪連接需要硬連接,負載采用磁粉制動器。先用變頻器起動,變頻器采用安川變頻器。當 電機達到 50Hz , 750r/min時, 并網(wǎng), 同時用 WT230測得電壓電流有效值, 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測試儀測得 T -t 曲 線如圖 8所示。 圖 8 50Hz 下實驗輸出轉(zhuǎn)矩波形從表 3中可以看到仿真結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致。而從圖 6和圖 8中可以發(fā)

12、現(xiàn) 36槽電機在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一 周的時間內(nèi),產(chǎn)生的脈振波頭為 24個,而其他極槽 比的電機在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周的時間內(nèi)產(chǎn)生脈振波頭的數(shù) 目如表 4所示。表 3 50Hz 下仿真和實驗轉(zhuǎn)矩波動對比槽數(shù)仿真 /%實驗 /%表 4 其他極槽比電機脈振波頭極槽比脈振波頭8極 18槽 4極 18槽 在表面式永磁電機中分數(shù)槽的脈振波頭為槽 數(shù)與每極每相槽數(shù)的比值 (槽數(shù)與極數(shù)的比值不小 于 2。5 電機參數(shù)對轉(zhuǎn)矩波動影響仿真 8極 36槽表面式電機,頻率設為 13.3Hz , 正 弦供電 。5.1 極弧系數(shù)選擇在極弧系數(shù)的選擇中, 為了比較轉(zhuǎn)矩波動, 需 保持氣隙磁密幅值不變, 因此氣隙長度和永磁體寬 度得相應變化,而

13、永磁體磁化方向長度保持不變, 得表 5。由表 5可知,極弧系數(shù)由 0.85降到 0.75時,轉(zhuǎn)矩 波動也隨之減小,當降到 0.7時轉(zhuǎn)矩波動反而增加。 因此 8極 36槽電機極弧系數(shù)選擇在 0.75時, 轉(zhuǎn)矩波動 最小。表 5 不同極弧系數(shù)的轉(zhuǎn)矩波動的對比 極弧系數(shù)氣隙長度 /mm永磁體寬 度 /mm轉(zhuǎn)矩波動 /%3.75.2 削角選擇圖 9 削角形永磁體結(jié)構(gòu)圖 9為削角形永磁體結(jié)構(gòu),在 0.9kW 8極 36槽電 機削角的選擇中,保證氣隙磁密基波幅值不變,永 磁體磁化方向長度為 3mm ,所以 h 選擇 1mm 和 2mm , 而極弧系數(shù)分別選擇 0.8、 0.75時削角, 得表 6和表 7。

14、表 6 電機不同削角的轉(zhuǎn)矩波動對比(極弧系數(shù) 0.8h /mm削角 /°波形畸變率 /%轉(zhuǎn)矩波動 /%h =2.081.95 1.68 h =1 1.35 1.33 1.23 h =21.17 表 7 電機不同削角的轉(zhuǎn)矩波動對比(極弧系數(shù) 0.75h /mm削角 /°波形畸變率 /%轉(zhuǎn)矩波動 /%h =0.970.88 0.92 h =11.09 1.361.81 h =22.45由表 6和表 7可知,在極弧系數(shù)選擇 0.8時,削角 在 1mm 的 30°、 45°、 60°和 2mm 的 30°、 45°、 60°

15、;時轉(zhuǎn) 矩波動是逐漸降低的。 這是因為削角后波形畸變率越 來越小, 使得氣隙磁密更接近正弦, 減小了諧波含量, 因而轉(zhuǎn)矩波動得以降低。而極弧系數(shù)選擇在 0.75時, 削角只在 1mm 的 30°時轉(zhuǎn)矩波動是降低的,其余的都 是在增加。 通過以上分析得出永磁體削角是否能降低 轉(zhuǎn)矩波動關(guān)鍵看極弧系數(shù)、 h 和削角的選擇。6 結(jié)論(1本文在 Ansoft 公司的 Maxswell 2D 環(huán)境下(下轉(zhuǎn)第 22頁2008年第 4期 進行對比可以看出,三條曲線轉(zhuǎn)速上升階段的趨勢 基本一致,上升時間也十分接近,約為 0.02s 左右。 整個起動過程中,在永磁脈振轉(zhuǎn)矩的作用下,電機 經(jīng)過幾次轉(zhuǎn)速振蕩

16、才逐漸穩(wěn)定在同步轉(zhuǎn)速,符合理 論分析的結(jié)論。從電機的起動時間上來看,電磁場 仿真的結(jié)果與實驗結(jié)果比較相近,均為 0.28s 左右, 而狀態(tài)方程的仿真結(jié)果中,由于永磁電機轉(zhuǎn)速超調(diào) 時間過長,起動時間達到了 0.37s 。從超調(diào)量的幅值 來看,狀態(tài)方程仿真的結(jié)果與實驗比較相近,最高 轉(zhuǎn)速均在 1675r/min附近,電磁場仿真的結(jié)果中超 調(diào)比較明顯,最大值接近 1800r/min。5 結(jié)論本文針對一臺 2.5kW 內(nèi)置式永磁同步電動機的異步起動過程進行了研究:簡單分析了起動過程, 通過電路耦合法推導出永磁同步電動機的動態(tài)運動 方程; 利用四階龍格 庫塔法對運動方程求解, 得 出電機起動過程的仿真曲線; 同時利用電磁場分析 軟件 Ansoft 對這臺電機的起動過程中轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn) 矩的變化進行了仿真; 對起動過程中的發(fā)電制動轉(zhuǎn) 矩進行了電磁場仿真; 通過瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器、 轉(zhuǎn)矩 儀和記錄儀對這臺永磁同步電動機起動過程進行了 實驗研究, 對比仿真曲線和試驗曲線, 得出其轉(zhuǎn)速曲 線較為相似,轉(zhuǎn)矩曲線從數(shù)值上看有所差別。參考文獻1 唐任遠 .