永磁伺服电机结构研究及优化设计

刘传

摘 要：本文通过分析影响电机的径向气隙磁通密度相关因素，比如磁体厚度、磁体块数、磁极偏心距、气隙长度等几个方面，总结找出影响电机性能的一般规律，并根据该规律提出永磁伺服电机结构改进方案。

关键词：伺服电机；结构；优化；气隙磁密

1 引言

伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种间接传动辅助马达装置。机床、风机、压缩机、泵和机器人等设备都需要伺服电机作为控制部件，而电机的性能对于伺服体系非常重要，根据电机工作原理，可以通过气隙磁通密度提高电机性能和稳定性，而影响电机的径向气隙磁通密度主要有磁体厚度、磁体块数、磁极偏心距和气隙长度等几个相关因素。

2 影响气隙磁通密度因素分析

伺服电机的主要部件是内部含有永磁铁的一个转子，驱动器可以通过控制U/V/W三相电形成电磁场，永磁铁的转子在驱动器产生磁场的作用下转动，电机自带编码器，驱动器通过比较反馈值与目标值把反馈信号给驱动器来调整转子的转动角度。

2.1 磁体厚度

电机的磁场是由永磁体产生的，影响电机气隙磁场重要的因素就是永磁体的厚度。在保持其他因数不变的情况下，磁体厚度在1～5mm区间，以0.5mm为步长进行建模，仿真电机径向气隙磁场。分析结果表明；①磁场幅值随磁体的厚度增加而增大。②径向充磁产生的磁场与平行充磁产生的磁场相比，幅值较小，畸变率较大，在磁体较厚时这种差别表现尤为明显。因此综合考虑气隙磁场的幅值和畸变率，永磁体的厚度最好控制在3～6mm比较适合。

2.2 磁体块数

一组永磁体可以组成电机的一个磁极，因此磁体的数目必然会对电机气隙磁场产生重要影响。本文分别由2、3、4块永磁体构成一个磁极进行建模，仿真电机径向气隙磁场。分析结果显示：①气隙磁场的幅值随磁体块数的增加而增大。3块磁体时增幅最大。②气隙磁场的畸变系数随磁体块数的增大反而减小。综合考虑气隙磁场的幅值和畸变率，电机的每极磁体由3或者4块构成较为适宜。

2.3磁极偏心距

磁极是贴合在转子表面上的，而磁极的外径中心和内径中心重合是最简单的一种方式，但这种磁极方式对磁场的正弦性和磁体的利用率不利。在保持其他磁极因素不变的情况下，本文研究磁极外径中心和内径中心偏离的大小对气隙磁通密度的影响，以步长为1mm，磁极偏心距在3～20mm之间建模分析磁极偏心距對电机径向气隙磁场。通过试验结果分析显示：随着磁极偏心距的减小，径向气隙磁通密度幅值逐渐增大，而畸变率先增大后快速减小。因此要综合考虑磁通密度幅值、畸变率和电机结构，以确定磁极偏心距。

2.4 气隙长度

气隙长度对电机气隙磁通密度也具有显著影响，因为空气的磁阻非常大。本文在保持其他设置不变的情况下，气隙长度分别取1～5mm，步长为0.25 mm 建模（当气隙长度变化时，转子的大小会发生相应改变），仿真电机径向气隙磁场。结果表明：①气隙磁场的磁通密度幅值和对气隙磁场畸变率的影响随着气隙长度的减小而增大。②径向充磁比平行充磁基波幅值略小，畸变率略大。因此综合考虑幅值和畸变率，永磁伺服电机的气隙长度一般在1～3mm较为合适。

3 永磁伺服电机结构优化

根据前面建模分析得出的电机结构各个因素对气隙磁场的影响规律，并以其为基础，对原型电机有关结构尺寸进行适当修改，利用仿真电机径向气隙磁场，筛选形成新的电机设计方案，通过新的电机设计方案和原型电机方案进行效果比对，获得相对于原型电机气隙磁通密度优化的设计方案。

4 结语

电机的性能对于伺服体系非常重要，机床、风机、压缩机、泵和机器人等设备都需要伺服电机作为控制部件，从而看出电机的社会地位和提高电机工作效率的重要性。本篇文章从电机的不同组件、参数分析了对电机气隙磁场的影响，并通过对于单一参数变化时建模，仿真永磁伺服电机气隙磁场的变化，从而总结归纳相关规律。总的来说：①平行充磁比径向充磁效果好，能够获得更大的气隙磁通密度幅值和更小的畸变率；②磁场幅值随磁体的厚度增加而增大；③气隙磁场的幅值和畸变系数分别随磁体块数的增加而增大或减小；④随着磁极偏心距的减小，径向气隙磁通密度幅值逐渐增大，而畸变率先增大后快速减小；⑤气隙磁场的磁通密度幅值和对气隙磁场畸变率的影响随着气隙长度的减小而增大。

文中所分析、建模的结构参数对气隙磁场的影响较为明显，但不同的参数的影响规律是不相同的。作者通过应用以上规律，对各种因素进行综合考虑，做适当的永磁伺服电机结构优化设计，使优化设计方案的畸变率下降。

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