集成永磁伺服電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、集成永磁伺服電機(jī)是由電機(jī)本體、驅(qū)動(dòng)器、控制器、編碼器四大組件構(gòu)成的集成體。高密度、高可靠性、高電磁兼容要求和目標(biāo)是集成永磁伺服電機(jī)設(shè)計(jì)的核心問題，本文以此為重點(diǎn)，對(duì)高密度永磁電機(jī)本體的性能優(yōu)化、集成永磁伺服電機(jī)系統(tǒng)熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電磁干擾抑制等展開研究。
　　首先，提出集成永磁伺服電機(jī)四個(gè)組件間一體化熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電磁兼容設(shè)計(jì)的原則和各主要組件的選型原則。通過永磁電機(jī)繞組特點(diǎn)的分析，選擇分?jǐn)?shù)槽集中繞組；為提升功率密度，設(shè)計(jì)出一款體積小、

2、性能高的運(yùn)動(dòng)編碼器；為增強(qiáng)控制器的抗干擾能力，采用自行研制的單芯片伺服控制器，使伺服系統(tǒng)的可靠性明顯提高，體積更加緊湊。
　　為提升電機(jī)本體性能，研究了分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁電機(jī)的極槽配合、諧波磁勢(shì)和齒槽轉(zhuǎn)矩。提出了高性能分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁電機(jī)極槽數(shù)選擇的若干約束條件。集中繞組電機(jī)擁有較多繞組諧波磁勢(shì)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和渦流損耗。借助分?jǐn)?shù)槽集中繞組磁勢(shì)諧波理論提出了一種改進(jìn)的電機(jī)設(shè)計(jì)方案，可以明顯降低一次諧波幅值，減少渦流損耗和齒槽轉(zhuǎn)矩波

3、動(dòng)；通過對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的理論分析，提出直槽、斜槽口和直槽、對(duì)稱斜槽口的設(shè)計(jì)方法，理論分析和有限元仿真表明，除平均轉(zhuǎn)矩有微弱下降，大大削弱了齒槽轉(zhuǎn)矩，與普通斜槽電機(jī)相比，減小了用銅量和銅損，提高了效率。
　　集成永磁伺服電機(jī)較高的功率密度導(dǎo)致較高的溫升，需研究系統(tǒng)的溫度場(chǎng)分布，并對(duì)系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。文中建立了集成永磁伺服電機(jī)的三維電磁熱耦合模型，對(duì)熱邊界條件進(jìn)行非線性處理，對(duì)電機(jī)本體損耗密度進(jìn)行實(shí)測(cè)修正。有限元仿真與實(shí)測(cè)溫升的對(duì)比數(shù)據(jù)

4、表明，所建模型較為準(zhǔn)確、合理?；谀Ｐ?，對(duì)集成永磁伺服電機(jī)進(jìn)行多項(xiàng)熱設(shè)計(jì)優(yōu)化，包括整體布局、外殼幾何尺寸、灌封材料和熱管等設(shè)計(jì)優(yōu)化，最后獲得整體優(yōu)化的集成永磁伺服電機(jī)熱模型和設(shè)計(jì)方案。
　　PWM技術(shù)在提高集成永磁伺服電機(jī)系統(tǒng)性能的同時(shí)，也給系統(tǒng)內(nèi)電機(jī)側(cè)和驅(qū)動(dòng)器側(cè)帶來更嚴(yán)重的電磁干擾，對(duì)MOSFET關(guān)斷過程du/dt的電壓過沖和振蕩抑制可以提高 EMI性能。通過分析 MOSFET的關(guān)斷過程，提出并設(shè)計(jì)了閉環(huán)的門極電壓控制方法。該方

5、法通過檢測(cè)漏極電壓，當(dāng)漏極電壓超過母線電壓，即形成過沖的瞬間，在門極施加一段輔助電壓信號(hào)，用以減緩門極-源極間電荷的放電速率，降低漏極電壓過沖。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，方法可有效的抑制電壓過沖，甚至消除振蕩，減小關(guān)斷損耗；通過漏極電壓頻譜分析，電磁噪聲幅值有較大的削弱。
　　最后，闡述集成永磁伺服電機(jī)系統(tǒng)中包括永磁伺服電機(jī)本體和控制驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和性能測(cè)試。首先基于電機(jī)主要指標(biāo)確定主要尺寸，然后在此基礎(chǔ)上構(gòu)建仿真模型，通過對(duì)電機(jī)模型進(jìn)