集成永磁伺服电机关键技术研究

发布时间：2018-12-27 13:58

【摘要】：集成永磁伺服电机是由电机本体、驱动器、控制器、编码器四大组件构成的集成体。高密度、高可靠性、高电磁兼容要求和目标是集成永磁伺服电机设计的核心问题，本文以此为重点，对高密度永磁电机本体的性能优化、集成永磁伺服电机系统热结构优化和电磁干扰抑制等展开研究。首先，提出集成永磁伺服电机四个组件间一体化热结构设计与电磁兼容设计的原则和各主要组件的选型原则。通过永磁电机绕组特点的分析，选择分数槽集中绕组；为提升功率密度，设计出一款体积小、性能高的运动编码器；为增强控制器的抗干扰能力，采用自行研制的单芯片伺服控制器，，使伺服系统的可靠性明显提高，体积更加紧凑。为提升电机本体性能，研究了分数槽集中绕组永磁电机的极槽配合、谐波磁势和齿槽转矩。提出了高性能分数槽集中绕组永磁电机极槽数选择的若干约束条件。集中绕组电机拥有较多绕组谐波磁势，导致转矩波动和涡流损耗。借助分数槽集中绕组磁势谐波理论提出了一种改进的电机设计方案，可以明显降低一次谐波幅值，减少涡流损耗和齿槽转矩波动；通过对齿槽转矩的理论分析，提出直槽、斜槽口和直槽、对称斜槽口的设计方法，理论分析和有限元仿真表明，除平均转矩有微弱下降，大大削弱了齿槽转矩，与普通斜槽电机相比，减小了用铜量和铜损，提高了效率。集成永磁伺服电机较高的功率密度导致较高的温升，需研究系统的温度场分布，并对系统热设计进行优化。文中建立了集成永磁伺服电机的三维电磁热耦合模型，对热边界条件进行非线性处理，对电机本体损耗密度进行实测修正。有限元仿真与实测温升的对比数据表明，所建模型较为准确、合理。基于模型，对集成永磁伺服电机进行多项热设计优化，包括整体布局、外壳几何尺寸、灌封材料和热管等设计优化，最后获得整体优化的集成永磁伺服电机热模型和设计方案。 PWM技术在提高集成永磁伺服电机系统性能的同时，也给系统内电机侧和驱动器侧带来更严重的电磁干扰，对MOSFET关断过程du/dt的电压过冲和振荡抑制可以提高EMI性能。通过分析MOSFET的关断过程，提出并设计了闭环的门极电压控制方法。该方法通过检测漏极电压，当漏极电压超过母线电压，即形成过冲的瞬间，在门极施加一段辅助电压信号，用以减缓门极-源极间电荷的放电速率，降低漏极电压过冲。仿真和实验结果表明，方法可有效的抑制电压过冲，甚至消除振荡，减小关断损耗；通过漏极电压频谱分析，电磁噪声幅值有较大的削弱。最后，阐述集成永磁伺服电机系统中包括永磁伺服电机本体和控制驱动电路的设计和性能测试。首先基于电机主要指标确定主要尺寸，然后在此基础上构建仿真模型，通过对电机模型进行空载、加载仿真，对比分析不同槽口、磁钢形状和厚度时对电机性能的影响，最终确定电机各部件材料和尺寸；从体积和可靠性两个角度对电源电路、功率驱动电路、电流采样电路、保护电路进行了分析设计；对集成永磁伺服电机原理样机进行测试，结果表明满足设计指标要求。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM383.4

【参考文献】