林井福 梁才麟 吳華江 陳平華 黃立波 李爽 陳卓杰

（寧波海天驅(qū)動(dòng)有限公司 浙江寧波 315801）

IPM伺服電機(jī)開(kāi)發(fā)及其在注塑機(jī)上的應(yīng)用研究

林井福 梁才麟 吳華江 陳平華 黃立波 李爽 陳卓杰

（寧波海天驅(qū)動(dòng)有限公司 浙江寧波 315801）

本文以一臺(tái)90T注塑機(jī)開(kāi)合模、頂出和整移用的5kW，1500rpm IPM電機(jī)為例，深入分析IPM伺服電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方法和有限元仿真分析。通過(guò)臺(tái)架測(cè)試和裝機(jī)測(cè)試，驗(yàn)證其性能、溫升、響應(yīng)時(shí)間等指標(biāo)，結(jié)果表明這類(lèi)電機(jī)在注塑機(jī)上可以充分發(fā)揮其高過(guò)載、寬調(diào)速、溫升低等優(yōu)勢(shì)，具有很強(qiáng)推廣應(yīng)用價(jià)值。

IPM電機(jī)；高過(guò)載；寬調(diào)速；注塑機(jī)

前言

目前國(guó)內(nèi)外IPM電機(jī)（內(nèi)嵌式永磁電機(jī)）主要應(yīng)用于新能源汽車(chē)、空氣壓縮機(jī)等場(chǎng)合，利用其高效、恒功率調(diào)速范圍寬等特性[1]。技術(shù)上，日本和歐美對(duì)IPM電機(jī)研究比較深入，推廣應(yīng)用得較好，在新能源汽車(chē)等領(lǐng)域的研究水平處于世界領(lǐng)先水平[2]。我國(guó)稀土資源豐富，國(guó)家對(duì)高效電機(jī)大力扶持，IPM電機(jī)在空壓機(jī)、抽油機(jī)等場(chǎng)合推廣得很好，但技術(shù)水平和日本、歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在較大差距。

IPM電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)為超高效電機(jī)、專(zhuān)用電機(jī)以及寬恒功率調(diào)速、高過(guò)載電機(jī)等[3]。IPM電機(jī)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的實(shí)施有利于拓寬我公司電機(jī)產(chǎn)品的種類(lèi)和應(yīng)用場(chǎng)合。隨著國(guó)家節(jié)能節(jié)排、高效電機(jī)推廣等政策的實(shí)施，IPM電機(jī)必將在未來(lái)的高效電機(jī)推廣、智能裝備、工業(yè)自動(dòng)化、新能源車(chē)等方面發(fā)揮其優(yōu)越性，具有十分廣闊的市場(chǎng)前景。

1 IPM電機(jī)設(shè)計(jì)

IPM電機(jī)的設(shè)計(jì)流程為主要尺寸確定、定子鐵心、定子繞組、定子絕緣、轉(zhuǎn)子鐵心和磁鋼設(shè)計(jì)等六部分，一般先用磁路法軟件進(jìn)行大致方案的設(shè)計(jì)，再用ANSYS Maxwell進(jìn)行性能的有限元仿真。

根據(jù)式（1）～（3）所示公式確定主要尺寸定子沖片內(nèi)徑Di1和鐵心長(zhǎng)度L。確定Di1后，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)比值及模具規(guī)格來(lái)定D1。其中，Temmax為最大電磁轉(zhuǎn)矩，Bδ1為氣隙磁密基波幅值，A為線負(fù)荷，Lef為有效鐵心長(zhǎng)，δ為氣隙長(zhǎng)度。不同冷卻方式，需要合理的Bδ1和A保證電機(jī)溫升。式中ωb為角速度，tb為空載加速時(shí)間，ρFe為鐵心密度。

根據(jù)槽寬、齒寬均分，定子平行齒、合理的軛部高度等原則即可設(shè)計(jì)定子槽的尺寸。槽口寬、槽口高、槽口斜肩角以及各處圓角根據(jù)沖片工藝來(lái)選擇。本文設(shè)計(jì)的IPM采用我司HK18系列電機(jī)現(xiàn)有定子沖片，8極48槽設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 定子沖片示意圖

根據(jù)諧波大小、端部尺寸和機(jī)械下線等確定繞組型式為雙層短距疊繞組，跨距為y=1-6，以消除5次和7次反電勢(shì)諧波。繞組排布圖如圖2所示。定子繞組采用200℃級(jí)漆包圓銅線，絕緣材料采用H級(jí)（180℃）同一個(gè)UL絕緣認(rèn)證體系中的材料。

轉(zhuǎn)子鐵心采用沖片軸線鉚釘扣緊方式，通過(guò)最優(yōu)化轉(zhuǎn)子沖片V型磁鋼槽角度和隔磁橋尺寸，并通過(guò)鉚釘孔，減重孔和軸孔等設(shè)計(jì)來(lái)輕量化設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子，減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)子沖片如圖3所示。

圖2 繞組排布圖

圖3 轉(zhuǎn)子沖片局部

磁鋼設(shè)計(jì)主要包含磁鋼厚度hM、寬度bM尺寸的確定。通過(guò)綜合評(píng)估電機(jī)反電勢(shì)、過(guò)載、抗退磁能力等參數(shù)，可以確定磁鋼的尺寸。

2 IPM電機(jī)仿真及參數(shù)對(duì)性能影響

下面結(jié)合一臺(tái)90T注塑機(jī)開(kāi)合模、整移和頂出伺服泵專(zhuān)用電機(jī)來(lái)闡述有限元仿真分析，參數(shù)如表1所示，要求有較寬的超速范圍和過(guò)載能力。

表1 HP1802152R電機(jī)基本參數(shù)

圖4為1/8仿真模型及空載磁力線分布圖，有部分磁力線經(jīng)隔磁橋閉合漏掉，但相對(duì)不多，這是綜合考慮轉(zhuǎn)子沖片機(jī)械強(qiáng)度和電磁性能的結(jié)果。

圖4 有限元仿真模型及磁力線分布

為分析不同電流和弱磁控制角度時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩情況，對(duì)電機(jī)電流、弱磁控制角度進(jìn)行掃描分析。圖5為電流從0～30A，以3A為步長(zhǎng)求解得到的電機(jī)T-n特性曲線，在30A時(shí)最大電磁轉(zhuǎn)矩為78.2Nm，最大轉(zhuǎn)速2850rpm時(shí)轉(zhuǎn)矩為32Nm，滿(mǎn)足技術(shù)要求。圖6為等損耗曲線，為散熱分析提供有力支撐。圖7為效率MAP圖，展示電機(jī)的等效率工作曲線和高效區(qū)，為電機(jī)運(yùn)行提供理論數(shù)據(jù)。

圖5 不同電流下電機(jī)T-n特性

圖6 不同電流下電機(jī)總損耗

圖7 電機(jī)工作區(qū)內(nèi)效率MAP圖

通過(guò)掃描定子電流，得到不同電流下Ld、Lq的變化曲線，如圖8所示，為驅(qū)動(dòng)器的電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)P、I參數(shù)的調(diào)整提供了數(shù)據(jù)支撐。

圖8 Ld、Lq隨電流變化曲線

3 IPM在注塑機(jī)上應(yīng)用研究

HP1802152R電機(jī)首先在帶泵測(cè)試平臺(tái)上加載測(cè)試，帶海德克25cc/rev泵進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示，滿(mǎn)足技術(shù)要求。

表2 電機(jī)帶泵測(cè)試結(jié)果

之后我們把電機(jī)裝在90T機(jī)器上進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試。圖9（a）和9（b）為電機(jī)裝在機(jī)器底部倉(cāng)里和在注塑機(jī)上調(diào)試的實(shí)物照。用KEB F6 15kW驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服泵，驗(yàn)證合模、開(kāi)模、頂出、整移等功能是否能完成，以及驗(yàn)證電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行溫升是否滿(mǎn)足。圖10為監(jiān)測(cè)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的波形，結(jié)果顯示完全可以滿(mǎn)足各種工況的要求。

圖9

圖10 實(shí)測(cè)波形

按實(shí)際打產(chǎn)品的工況，即開(kāi)合模2.0s（鎖模0.5s），最大整移噴嘴接觸力1s；最大頂出壓力1s，周期10s，占空比為40%連續(xù)運(yùn)行5h后，電機(jī)KTY監(jiān)測(cè)溫度穩(wěn)定在103℃，滿(mǎn)足要求。

目前HP1802152R伺服泵運(yùn)行良好，已經(jīng)交付完成10臺(tái)套訂單裝機(jī)90T注塑機(jī)。40～380T噸位的所有伺服泵都在制作樣機(jī)測(cè)試中。

4 結(jié)論

（1）IPM電機(jī)設(shè)計(jì)包含主要尺寸確定、定子鐵心、定子繞組、定子絕緣、轉(zhuǎn)子鐵心和磁鋼設(shè)計(jì)。

（2）基于ANSYS Maxwell軟件對(duì)90T注塑機(jī)伺服泵電機(jī)進(jìn)行了仿真分析，虛擬驗(yàn)證HP1802152R電機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)是否符合伺服泵的技術(shù)要求。

（3）伺服泵臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和裝機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，HP1802152R伺服泵電機(jī)完全滿(mǎn)足90T注塑機(jī)開(kāi)合模、頂出、整移的功能要求，溫升合理。

（4）90T注塑機(jī)伺服泵的開(kāi)發(fā)驗(yàn)證40～380T系列伺服泵開(kāi)發(fā)驗(yàn)證提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

[1]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：3～11.

[2]張江鵬.具有高過(guò)載能力永磁同步電機(jī)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[3]高徐嬌，趙爭(zhēng)鳴，趙強(qiáng).永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)與其電磁參數(shù)關(guān)系分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，41（9）：44～47.

TQ320.52

A

1004-7344（2016）35-0212-03

2016-11-29

林井福（1985-），男，工程師，碩士研究生，主要工作方向?yàn)殡姍C(jī)電磁設(shè)計(jì)與仿真。