集成永磁伺服電機關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、集成永磁伺服電機是由電機本體、驅(qū)動器、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是集成永磁伺服電機設(shè)計的核心問題，本文以此為重點，對高密度永磁電機本體的性能優(yōu)化、集成永磁伺服電機系統(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四個組件間一體化熱結(jié)構(gòu)設(shè)計與電磁兼容設(shè)計的原則和各主要組件的選型原則。通過永磁電機繞組特點的分析，選擇分數(shù)槽集中繞組；為提升功率密度，設(shè)計出一款體積小、

2、性能高的運動編碼器；為增強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。
　　為提升電機本體性能，研究了分數(shù)槽集中繞組永磁電機的極槽配合、諧波磁勢和齒槽轉(zhuǎn)矩。提出了高性能分數(shù)槽集中繞組永磁電機極槽數(shù)選擇的若干約束條件。集中繞組電機擁有較多繞組諧波磁勢，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動和渦流損耗。借助分數(shù)槽集中繞組磁勢諧波理論提出了一種改進的電機設(shè)計方案，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；通過對齒槽轉(zhuǎn)矩的理論分析，提出直槽、斜槽口和直槽、對稱斜槽口的設(shè)計方法，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，與普通斜槽電機相比，減小了用銅量和銅損，提高了效率。
　　集成永磁伺服電機較高的功率密度導(dǎo)致較高的溫升，需研究系統(tǒng)的溫度場分布，并對系統(tǒng)熱設(shè)計進行優(yōu)化。文中建立了集成永磁伺服電機的三維電磁熱耦合模型，對熱邊界條件進行非線性處理，對電機本體損耗密度進行實測修正。有限元仿真與實測溫升的對比數(shù)據(jù)

4、表明，所建模型較為準確、合理。基于模型，對集成永磁伺服電機進行多項熱設(shè)計優(yōu)化，包括整體布局、外殼幾何尺寸、灌封材料和熱管等設(shè)計優(yōu)化，最后獲得整體優(yōu)化的集成永磁伺服電機熱模型和設(shè)計方案。
　　PWM技術(shù)在提高集成永磁伺服電機系統(tǒng)性能的同時，也給系統(tǒng)內(nèi)電機側(cè)和驅(qū)動器側(cè)帶來更嚴重的電磁干擾，對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)計了閉環(huán)的門極電壓控制方法。該方

5、法通過檢測漏極電壓，當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，用以減緩門極-源極間電荷的放電速率，降低漏極電壓過沖。仿真和實驗結(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系統(tǒng)中包括永磁伺服電機本體和控制驅(qū)動電路的設(shè)計和性能測試。首先基于電機主要指標確定主要尺寸，然后在此基礎(chǔ)上構(gòu)建仿真模型，通過對電機模型進