【摘 要】
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针对伺服直驱压力机,传动结构简单,且不具备机械飞轮平滑能耗的特点,直驱电机的性能和控制成为伺服直驱压力机的关键,因此研究和提高电机性能对伺服压力机的高品质运行起若至关重要的作用。针对伺服压力机工况特点,本文研究开关磁通切换永磁电机作为伺服压力机电机的关键技术问题,该电机相对于传统永磁电机,结构简单。转子抗冲击能力强、效率高、功率密度高,永磁磁链和反电动势波形类似于正弦波形,扭矩性能优越,具有良好的
【基金项目】
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陕西省自然科学基础研究计划项目“伺服压力机用开关磁通式电子飞轮蓄能系能的能量转换机理研究”（编号:2019JQ-535）；
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针对伺服直驱压力机,传动结构简单,且不具备机械飞轮平滑能耗的特点,直驱电机的性能和控制成为伺服直驱压力机的关键,因此研究和提高电机性能对伺服压力机的高品质运行起若至关重要的作用。针对伺服压力机工况特点,本文研究开关磁通切换永磁电机作为伺服压力机电机的关键技术问题,该电机相对于传统永磁电机,结构简单。转子抗冲击能力强、效率高、功率密度高,永磁磁链和反电动势波形类似于正弦波形,扭矩性能优越,具有良好的发展前景。但是由于开关磁通切换永磁（FSPM）电机的双凸极结构以及永磁磁场产生较高的气隙磁密使其具有较大的齿槽转矩,进而产生较大的转矩波动,这些问题依然需要通过进一步研究而进行优化。根据伺服直驱压力机用FSPM电机的要求,结合双凸极永磁电机的工作原理、数学模型、转子/定子齿配合规律,绕组方式以及绕组匝数,建立了伺服直驱压力机用FSPM电机的结构模型和电、磁、力学模型,通过电模型分析了电机的磁链、感应电动势、电感等物理变量在时域上的特征以及通过FFT变换后频域上的特征:通过磁模型分析了电机在空载情况下的磁密云分布;着重分析了力模型下的齿槽转矩和转矩波动:分析结果表明:初始结构尺寸下的电机模型中,磁链、感应电动势、电感中的谐波含量较大;定转子与气隙流通磁通处有饱和以及漏磁现象;齿槽转矩波形的幅值和波动都较大。通过对电机内部结构尺寸中的气隙宽度、永磁体厚度、转子齿宽、等因素对电机输出转矩和转波动的影响进行逐一分析,确定了各个结构参数对电机输出转矩和转矩波动的影响规律,基于能量法分析出影响磁路的耦合三因素,分别为定子齿宽、转子齿宽和永磁体宽,并采用Box-Behnken方法设计仿真实验样本,定义平均转矩、转矩波动与转矩比值以及平均扭矩与永磁体模型面积之比为响应指标,通过有限元仿真计算得到不同实验样本的响应指标。并通过二次多项式拟合了响应指标模型,之后通过信赖域方法寻找最大平均转矩、最小转矩波动与平均转矩比、最大平均转矩与永磁体模型面积比的最优解。将所所预测的最佳结构耦合因素组合带入有限元模型中进行验证,结果表明,相比于初始的电机结构参数,优化后的平面模型相比于最初的平面模型平均扭矩提升43.75%,转矩波动下降81.10%,永磁体用量减少26.7%。通过matlab/simulink建立电机控制模型,结合FOC算法原理证明优化后电机的品质,通过参数计算得到FSPM电机在额定功率下的运行状况良好,动态响应快。通过样机的实测结果与FOC控制仿真和有限元仿真的电、力特性结果比较,显示仿真与实际实验结果趋势大致相同,实测反电动势正弦波形良好,转速浮动范围在±5rpm,转矩波动较小,但也存在一定数据误差,通过分析,误差主要来源于电机制造和装配误差,忽略了端部漏磁,调制波不能完全匹配电机控制的三相正弦波等,这三个误差在一定程度上对电机的性能有一定影响。总体上,本文研究的FSPM电机无论在电还是力特性上,均能满足我们实际工况下压力机伺服电机的要求,证明了电机设计、仿真计算的正确性。
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