机器人用无框力矩电机设计

机器人用无框力矩电机设计

永磁无刷电机力矩分析

本文属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是对该研究的学术报告:


永磁无刷电机力矩分析研究

1. 作者与发表信息

本文由胡终须和何鸿肃共同撰写,分别来自广东机械学院的计算机工程系和工业自动化系。该研究发表于《广东机械学院学报》,具体卷期和发表日期未明确标注。

2. 学术背景

永磁无刷电机(Permanent Magnet Brushless Motor, PMBLM)因其结构简单、可靠性高、免维护等优点,在现代工业自动化中得到了广泛应用。然而,电机的力矩特性(torque characteristics)直接影响其性能,尤其是在高精度控制系统中。本文从永磁方波无刷电机的控制原理出发,分析了相电流(phase current)和电枢反应(armature reaction)对电机力矩的影响,旨在优化电机的力矩特性,提高其运行效率和控制精度。

3. 研究流程

研究主要分为以下几个步骤:

步骤1:电机结构与控制原理分析 - 研究对象为三对极隐极电机(salient-pole motor),其特点是直轴(d-axis)和交轴(q-axis)电感之比为1:1。 - 通过分析电机的磁势(magnetic potential)和气隙合成磁场(air-gap magnetic field),研究了一对极的磁势及电枢反应。

步骤2:相电流与力矩关系研究 - 通过调节三相绕组的接线顺序和位置检测信号,控制电机的正反转。 - 采用大功率快速开关器件(high-power fast-switching devices)对相电流进行脉宽调制(PWM, Pulse Width Modulation),调制频率超过1 kHz,以减少谐波分量(harmonic components),改善力矩特性。

步骤3:空载换流超前角(no-load commutation advance angle)对力矩的影响 - 研究了空载换流超前角(β)与电机力矩的关系。β是同步电机电流与空载电势(E0)的夹角,决定了逆变器(inverter)的导通相位。 - 通过调节转子位置检测器(rotor position detector),改变电枢反应的性质,从而优化力矩和功率因数(power factor)。

步骤4:电枢反应与力矩脉动分析 - 分析了电枢反应磁势(armature reaction magnetic potential)与转子磁势(rotor magnetic potential)的相对运动,揭示了气隙合成磁场的畸变(distortion)及其对转矩脉动(torque ripple)的影响。 - 通过调节空载换流超前角,优化了电机的峰值力矩(peak torque)和脉动量(ripple amplitude)。

4. 主要结果

  • 相电流调制:采用PWM技术显著改善了电流波形,减少了谐波分量,从而优化了电机的力矩特性。
  • 空载换流超前角优化:通过调节β,实现了力矩的最大化和脉动量的最小化。当β=0°时,电机提供的峰值力矩最大,但脉动量也较大;通过牺牲部分峰值力矩,可以有效减少脉动量。
  • 电枢反应分析:揭示了电枢反应磁势与转子磁势的相对运动对转矩脉动的影响,为电机控制提供了理论依据。

5. 结论与意义

本研究通过理论分析和实验验证,深入探讨了永磁无刷电机的力矩特性及其优化方法。研究结果表明,通过调节相电流和空载换流超前角,可以有效改善电机的力矩特性,减少转矩脉动,提高电机的运行效率和控制精度。这对于高精度工业自动化系统和电力电子技术的发展具有重要意义。

6. 研究亮点

  • 创新性方法:采用大功率快速开关器件和PWM技术优化相电流波形,显著改善了电机的力矩特性。
  • 理论贡献:通过分析电枢反应与转子磁势的相对运动,揭示了转矩脉动的产生机制,并提出了优化方法。
  • 应用价值:研究成果可直接应用于永磁无刷电机的设计与控制,为工业自动化系统提供技术支持。

7. 其他有价值的内容

本文还引用了多篇相关文献,包括刘迪吉的《航空电机学》、许大中的《交流电机调速理论》以及蒋仕龙和何鸿肃的《无刷直流电机最佳换相分析》,为研究提供了理论支持和参考依据。


以上是对《永磁无刷电机力矩分析》一文的全面报告,旨在为相关领域的研究人员提供参考和借鉴。

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