工业机器人用永磁同步电机设计

(整期优先)网络出版时间:2019-01-11
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工业机器人用永磁同步电机设计

于帅涛

关键词:工业机器人;永磁同步电机;设计

引言

永磁同步电机采用永磁体为励磁,大大减轻了电机的体积和质量,在工业机器人上有很好的应用空间。而工业机器人同样也给永磁同步电机提出了更严苛的要求。本文针对的是面向机床自动化生产的机器人用电机,要求电机过载倍数要有3.3倍,电机效率也要求较高;同时电机的转矩脉动也要保持在较小的水平。

1永磁同步电机概述

1.1永磁同步电机

众所周知,电机是将电能转化为机械能的设备,但这种能量的转换需要建立磁场,异步电机建立磁场的能量需从电网吸取,需励磁电流、励磁绕组,而永磁电机由永磁材料产生磁场,无需励磁电流,这就是永磁电机。

1.2永磁同步电机优点

转速恒定。转速与电机频率保持恒定,为同步转速,可简化空载系统。功率因数高。通过合理设计能达到极限值1.0。效率高。正常运转时,转子无绕组铜耗;高功率因数,可使定子电流较小,定子绕组铜耗小。起动力矩大。温升低。

1.3永磁同步电机节电的机理

定子铜耗变化原因是定子电流减少,I2R减少;转子铜耗的变化原因是永磁电机同步运转,无滑差;定子铁耗的变化原因是永磁电机采用了低损耗矽钢片;转子铁耗的变化原因是永磁电机同步运转,无滑差;励磁铜耗的变化原因是励磁动率电磁钢提供;杂散损耗的变化原因是永磁电机单边气隙大;风摩损耗的变化原因是永磁电机温升低,可使用节能风扇。由于永磁同步电机各种损耗的明显减少,导致永磁同步电机效率的提高,因此永磁同步电机相对于异步电机实实在在地在节能。

1.4永磁同步电机与异步电机能效等级的对比

永磁同步电机可达到一级能耗,异步电机最多可达到二级能耗,一般为三级或四级能耗。

1.5异步电机和永磁同步电机可能达到的能效等级

异步电机能达到能效二级,欲达到能效一级就十分困难;而永磁同步电机能达到能效一级(IE4)。经过努力,采取必要的技术措施,永磁同步电机能效限定值达到IE5也是有可能的,所以永磁同步电机将成为我国电机行业节能减排、能效提升的龙头产品,应用将越来越广泛。

1.6永磁同步电机的上游技术业已成熟

我国稀土资源丰富,稀土矿的储量占世界储量的80%,居世界首位。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平,实现了产业化充分发挥我国稀土资源丰富的优势,大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种节能电机,将资源优势转化为经济优势,具备了前提性条件和基础。

2工业机器人用永磁同步电机的设计

2.1电机尺寸的选择

电机的主要尺寸可由所需要的最大转矩和动态响应指标确定。永磁同步电机的最大转矩、电磁负荷和主要尺寸满足下面的关系:

式中:Bδ1为气隙磁密基波幅值;Lef为电机的铁心长度;A为电机的电负荷。

由于面向机床自动化生产的机器人机械手臂关节的限制,电机的外径和长度只能在较小的范围内选择。参照相同功率永磁电机的外径,最终电机选择了定子外径为123mm,铁心长度为55mm。由上可知,随着电机气隙磁密的增大,只需要较小的电负荷就能满足电机最大转矩的要求,所以本文选用了高性能钕铁硼永磁体材料,其气隙磁密最高达0.85T,电负荷取180A/cm。

2.2槽极配合的选择

本文从市面上成熟的常用永磁电机的槽极配合入手,选择10种不同的槽极配合,即9/6,18/6,36/6,12/8,18/8,24/8,36/8,48/8,12/10,15/10,分析比较筛选出最合适的槽极配合。已有学者研究了不同的槽极配合的磁动势谐波不一样。而气隙磁密谐波含量的增加会使电机的性能变坏,直接影响电机的振动和电机的噪声。

永磁电机的特殊结构会引起电机固有的齿槽转矩,会使电机的转矩波动增大。但这是无法消除的,只能最大程度地削弱。齿槽转矩的变化是有规律的,在一个齿距的范围内,定子和转子相对位置的变化周期主要受电机的极数和槽数影响。合理地选择极数和槽数组合,能使电机在一个齿距内齿槽转矩的变化周期数增大,这样就可以明显地减小电机齿槽转矩。电机的一个齿距周期变化范围内的周期数越大,电机的齿槽转矩就越小。

2.3转子磁路结构的选择

永磁体在电机转子内部的称为内置式,永磁体在转子外部的称为表贴式。内置式的永磁体嵌在转子铁心中,加工难度较大;而且电机绕组端部的漏磁系数较大,需要特别的隔磁处理,但永磁体结构牢固,适合应用在转速较高的电机之中。表贴式的永磁体结构较为简单,易进行于对形状要求更高的加工,易于实现电机气隙磁场的优化设计。本文采用表贴式的永磁体转子结构。采用表面凸式的转子磁路,其永磁体的制造和电机的装配较为简单,能有效地减小电机的成本,电机的转动惯量也相对较小。而且通过磁极的合理优化设计,气隙磁场的波形更接近正弦波。本文通过不等厚永磁体的结构优化电机,减小电机的齿槽转矩。

影响电机永磁体尺寸的主要因素有:永磁体轴向长度LM;永磁体磁化方向长度hM;永磁体宽度bM。通常确定永磁电机的永磁体轴向长度要结合电机转子和铁心参数,一般可取与电机的铁心长度作为参考,故只需要确定永磁的磁化方向长度和宽度。

式中:δe为电动机的计算气隙长度,在初步计算中可以大致选值。根据设计经验,永磁同步电机的气隙长度一般比相同参数的异步电机大20%-30%。本文初步取气隙长度为1.5mm,μr为永磁体回复磁导率,BrBδ一般取1.2~1.35。通过上述分析,初步确定电机永磁体磁化方向的长度hM为3.6mm和宽度bM为26mm。

2.4绕组的选择

永磁同步电机采用永磁体作为励磁,与传统的绕组励磁方式相比,气隙磁场的谐波含量较高,反电动势中也含有较高的谐波含量。在绕组的选择上考虑采用Y型双层短距绕组的形式,这样可以避免绕组中环流的产生。本文已经证明采用36/8槽极配合能够使电机有较小的齿槽转矩,能有效地改善反电动势的波形,电机也可以有更好的电磁性能和运行的经济性。为了提高电机的效率,在此基础之上做进一步的改进:把绕组分为大小圈,大圈节距为Y1=4,小圈节距为Y2=3。通过对绕组绕线方式改进,两种绕组的等效导体数保持不变。采用大小圈的绕线方式,可以减小电机绕组端部的长度,从而减小电机定子绕组的铜损,提高电机效率。

结语

结合工业机器人对电机大转矩高效率,削弱永磁电机固有齿槽转矩2方面的要求,本文给出了一个永磁电机的设计方案。从理论出发给出电机的基本尺寸,分析对比了常用的槽极配合,从削弱电机齿槽转矩的角度出发,选出了电机的最佳槽极配合。从转子结构的优化角度出发,采用不等厚永磁体的设计,进一步减小电机的齿槽转矩,实现较小的电机转矩脉动。设计了新型的电机绕组,采用不同节距的大小圈方式,减小了电机的铜损,提高了电机的效率。设计方案在进行仿真后,进行了样机的制造和性能实验。实验结果和仿真数据基本一致,验证了方案的可行性。本文设计方案已经应用在某工业机器人用电机中。

参考文献:

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[2]唐任远.现代电机理论与设计[M].北京:机械工业出版社,2017.

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