永磁同步直线电机推力波动分析及改善措施.pdf

清华大学学报(自然科学版)年第卷第期ISSN10002005420004059ö34CN1122223öNJTsinghuaUniv(Sci&Tech),2000,Vol.40,No.53336永磁同步直线电机推力波动分析及改善措施3李庆雷,王先逵,吴丹,刘成颖,石忠东(清华大学精密仪器与机械学系,北京100084)文摘:为改善永磁同步直线电机的伺服性能,需要研究减其中:Im为电流幅值,X为电流角频率,H0为A相小其推力波动的技术措施。分析了永磁同步直线电机推力波电流初始相位角。动的机理指出推力纹波、齿槽效应和端部效应是引起永磁,设气隙磁密按正弦规律变化,并将坐标原点固同步直线电机推力波动的最主要原因,探讨了减小永磁同步连于磁极中心线,则有直线电机推力波动的技术措施,指出在次级磁路确定之后,B(x)=Bmcos(xp),(2)选择适当的初级电流控制策略可以减小永磁同步直线电机Pö式中为气隙磁密最大值为电机极距为的推力纹波;在初级结构和电流控制策略确定之后,选择合:Bm,p,x适的次级磁铁充磁方式、磁铁形状及排列方式,也可有效地电机气隙纵向绝对坐标。削弱推力波动;齿槽效应和端部效应是产生推力波动的重设A相线圈初始位置为X0,到t时刻其空间位要原因,通过适当的初、次级磁路设计方案可予以削弱。移量为xt,则B,C相线圈空间位置分别为xt+X0关键词:永磁同步直线电机;推力波动;推力纹波;齿槽效+2pö3,xt+X0+4pö3。A相线圈反电势为应;端部效应x+X+pö29t0ea=-nBmcos(Pxöp)ldx+∫x+X-p2中图分类号:TM359.4文献标识码:A9tt0ö文章编号:100020054(2000)0520033204n(La+Mab+Mac)ia=Ema+ELa.(3)永磁同步直线电机结构简单、效率高、推力体积其中:Ema为A相空载反电势,ELa为由电枢反应产比大,是构成直接驱动直线伺服系统的首选电机类生的反电动势,n为A相线圈匝数,La为A相自[1,2]型。永磁同步直线电机的缺点是推力波动较大,感,Mab和Mac分别为A相线圈和B、C相线圈的互为了提高其驱动性能,必须研究降低其推力波动的感,并有技术措施。本文主要对这方面的问题进行探讨。xt+X0Ema=EmsinP,p1永磁同步直线电机运行原理及推力ELa=KLaia,(4)纹波分析dxtEm=2nBml=2nBmlV,理想的永磁同步直线电机初级电流和初级反dt其中La=(a+ab+ac)。理想情况下有La=电势都是正弦波形。考虑最简单的情况,设永磁同步KnLMMK。与式()、()同理有直线电机为三相、两极、整距,忽略齿槽效应、端部效KLb=KLc34,应并假设次级无限长。电机的三相绕组通入三相对eb=Emb+ELb,,(5)称正弦交流电流ec=Emc+ELc,ia=Imsin(Xt+H0),其中:Emb、Emc与Ema幅值相同,相位分别比Ema滞后ib=Imsin(Xt+H0-2Pö3),(1)2Pö3和4Pö3;ELb和ELc与ELa幅值相同,相位分别ic=Imsin(t+0-43),XHPö比ELa滞后2Pö3和4Pö3。假设下面两个条件成立dxtpV==X,收稿日期:1999205218dtP(6)作者简介:李庆雷(19722),男(汉),山东,博士PH0=X0,3基金项目:国家自然科学基金项目(59675066)p©1994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net43清华大学学报(自然科学版)2000,40(5)则电机推力为Im1eaia+ebib+ecicIm5F==V.(12)Im7emaia+embib+emcic.(7)Im11V观察式(11)(12)可以看出,要减小推力纹波由式(7)可得:对电机驱动性能的影响,应尽可能增大F0、减小F6nF=3nlBmIm=KFIm,(8)(n≥1)。要达到这个目的,可以有以下几种方案:其中KF=3nlBm,为电机推力常数,是一个和电机初1)在计算或测量出初级电枢的反电势系数之级位置、速度无关的常数。式(6)即为电机采用自控后,根据式(12)解出使F6n(n≥1)等于0的Im1、Im5、式原理时的控制策略。分析式(8)可见,理想情况下,Im7等电流谐波系数的值;电流波形根据计算出的当永磁同步直线电机采用自控式控制策略时,电机电流谐波系数由式(9)确定(电流波形并不一定是正推力正比于初级电流幅值,基本无推力波动。但实际弦波),这样就能大大消弱电机的推力波动。具体方上电机电枢电流和初级反电势波形都不是正弦形,法可参见文。都含有高次谐波。电机三相线圈一般为无中线的星[3]2)减小电