基于halbach阵列无铁心永磁同步伺服电机的设计分析

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1、万方数据哈尔滨理工大学工学硕士学位论文第1章绪论1．1课题研究的背景、目的及意义本文所研究的无铁心永磁同步电机为SMT(表面贴装技术)贴片机的贴片头的驱动部件。SMT是一种通过指定的方式将片式器件准确按放在电路板上指定位置的技术，在SMT应用早期，器件尺寸通常较大，安装较为方便、容易，所以大部分企业工人仅使用简单的工具进行生产，虽然所花费的时间会很长，但精确性是可以接受的。随着自动化产业的告诉发展，人们越来越努力的开发自动化的生产机器，来达到将片式元器件快速地、准确地贴放在电路板指定位置的目的。所以，无铁心永磁同

2、步电动机的设计、生产，将为SMT的应用技术提供更加可靠的动力。工作过程中，贴片机的贴片头首先要吸附电子元器件并且移动到电路板上的指定位置，通过旋转电机的作用使电子元器件的各个角与电路板上的焊接位置相对应。定位完成后，实现元器件与电路板的贴合。为了实现贴片的高速、高精度的要求，贴片头的灵敏度和精度起着决定性的作用，而为了达到这些要求，贴片头上的电机更是实现这些功能的重中之重。贴片头上空间有限，为了满足工厂快速生产的需求，这就要求每个贴片电机的体积和贴覆面积尽可能的降低到最小，如此才可在贴片头上安装更多的电机同时工作

3、，以便高效的完成生产任务。对于传统电机来说，定、转子铁心都是由硅钢片叠压而成，随着机械工业的发展，硅钢片材料性能不断加强，但无论怎样都避免不了涡流、磁滞等损耗的出现，必然影响电机的效率，使得材料利用率下降；同时再考虑到开槽的影响，会使得转矩产生振动。这些特性不能符合性能要求较高的贴片头的需求，应使用高矫顽力的永磁体，通过其良好的特性来达到要求，尽量减少硅钢片的使用，甚至不用硅钢片，制成没有铁心的永磁电动机，那么这种电机的性能就会明显提高，不仅使重量大量减少，转矩波动降低，噪声有所减小，减小齿槽效应引起的转矩波动，

4、更高的位置精度，都使得这种新颖的无铁心结构成为贴片头的首选。永磁电机的激磁磁场是由永磁体来建立的，永磁体形状、大小、排列都影响着电机的磁场形状，Halbach阵列是新的排列方法且对磁场的正弦分布起到很好的作用；同时，这种排列方式的特性能够提高电机的气隙磁密，降低电机的电磁力脉动，提高电机的效率，这些优点都使得Halbach阵列得到广泛应用，具有更为广阔的前景。万方数据哈尔滨理工大学工学硕士学位论文永磁同步电机的无铁心结构，可减小损耗，减轻重量，Halbach阵列方法的提出可以在此基础上建立电机运行必须的磁场且磁场

5、相当理想，结合两者的优点，可满足高性能贴片机的要求。广泛的说，这种电机可以应用在许多机械行业的领域，提升我国机械业在竞争激烈的国际市场中的竞争实力。1．2国内外的发展情况1．2．1一般的径向结构无铁心永磁电动机在一些技术发达的国家的研究中，无铁心结构的永磁电动机的研究已经取得了相当大的进展和突破。如，日本松下电器公司在1997年前，就对无铁心永磁同步电动机进行了设计，取得了一定的成果并申请了专利。新西兰奥克兰大学研制出一种内定子结构的无刷无铁心直流电动机川，其制造的试验样机额定功率为100W，效率是64％。该电机

6、的定子与正常直流电动机不同，不是由导磁材料制成，而是高分子化学材料制造，定子绕组采用无槽结构，永磁体粘贴在转子的一个铜圆环上，从而使转子表面形成圆形，如图1．1，保证气隙的均匀及磁动势的正弦性，且由于磁极与定子连接紧密，也会使噪声有所减小，再利用电力电子技术对其进行变速驱动，实现高效率、高稳定性的运行。▲图1-I永磁体结构示意图Fig．1—1permannentmagnetstructurediagram我国同样也有很多学者对无铁心永磁电机进行了研究，其中，山东大学设计出了一种新型的磁体结构心。“，提出永磁体的H

7、albach阵列方式，由此研制出了无铁心永磁电动机。这种磁体结构和常规结构相比较具有很大优势。一、感应出的气隙磁场强度更强；二、气隙磁密呈现正弦变化；三、能够获得较好的磁屏蔽作用，使转子轭部厚度减小，甚至理想情况下可以去掉转子铁心。通过对不同结构的永磁体和Halbach结构的磁体的大量的电磁针算，得出几种情况万方数据哈尔滨理工大学工学硕士学位论文下气隙磁密不同及相应的影响，根据计算得出的数据，制造出了六台样机，且都是采用无齿槽结构。下表给出了样机的主要尺寸，并对样机进行了试验，得到不同结构下，各样机的试验数据并进

8、行了分析研究n与1。表1-1样机部分结构尺寸定子铁心的内径咫加强26定子铁心的外径R蜘／mm34永磁体的内径凡。加m17永磁体的外径心枷21．51．2．2盘式无铁心结构的永磁同步电机在盘式结构的永磁同步电机中采用磁导率较高的硅钢片叠压而成铁心就是为了使磁路磁阻变小，然而这也带来了电机的损耗大、噪声大、体积大、重量大等诸多缺陷。如果采用钕铁硼永磁材料，充分利用其具有较高的矫