徐偉棟

摘 要：本文基于筆者的試驗(yàn)，首先對(duì)永磁同步電機(jī)過載能力研究的基礎(chǔ)方向進(jìn)行了闡述，然后根據(jù)需求對(duì)基于高過載需求的永磁電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;高過載;永磁同步電機(jī)

一、序言

永磁電機(jī)的類型多種多樣，被應(yīng)用到了各種領(lǐng)域中。永磁同步電機(jī)作為一種過載能力強(qiáng)、功率密度高、轉(zhuǎn)化效率高的新型永磁電機(jī)，其研究進(jìn)度決定著我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)速度。以工業(yè)機(jī)器人行業(yè)為例，常規(guī)設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)已經(jīng)無法滿足工業(yè)機(jī)器人行業(yè)越來越多樣化的生產(chǎn)需求，所以繼續(xù)對(duì)該行業(yè)的永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。本文正是基于此對(duì)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域所需求得高過載永磁同步電機(jī)進(jìn)行研究，希望能為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的研究方向提供一些參考建議。

二、永磁同步電機(jī)過載能力研究

針對(duì)永磁同步電機(jī)的過載能力的研究可以分為四個(gè)方面：首先是針對(duì)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩的分析，相關(guān)研究證明，當(dāng)向永磁同步電機(jī)的內(nèi)部輸入足夠大的電流時(shí)，負(fù)載反電勢(shì)的值就會(huì)非常接近母線電壓。這就反過來使得輸入的電流不能進(jìn)一步增加，也就限制了輸出的轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而影響永磁同步電機(jī)的過載能力;其次針對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)過載能力的研究，因?yàn)橛来烹姍C(jī)內(nèi)部的永磁體是不良導(dǎo)體，所以研究人員利用不良導(dǎo)體的特點(diǎn)來講永磁體與轉(zhuǎn)子鐵芯相結(jié)合（置于表面），從而構(gòu)成了一個(gè)音集電極的磁路結(jié)構(gòu)，該磁路結(jié)構(gòu)的交直軸電抗基本相等，但如果永磁體進(jìn)入轉(zhuǎn)子鐵芯的內(nèi)部，就會(huì)破壞交直軸電抗的平等關(guān)系，進(jìn)而產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩;第三是針對(duì)定子內(nèi)徑大小進(jìn)行研究，因?yàn)樵谕鈴讲蛔兊那闆r下，定子的內(nèi)徑?jīng)Q定了永磁體的有效面積，內(nèi)徑越大有效面積也越大，內(nèi)徑約小齒槽面積越大，進(jìn)入提高了永磁電機(jī)的過載能力;最后是氣隙長(zhǎng)度的影響，氣隙長(zhǎng)度決定了電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)、氣隙磁密和電感參數(shù)，氣隙長(zhǎng)度越大則磁路磁阻越大，電樞反應(yīng)強(qiáng)度越弱，進(jìn)而永磁電機(jī)的過載能力也隨之增大。

三、基于高過載需求的永磁電機(jī)設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)要求

根據(jù)某工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)環(huán)境的實(shí)際需求，筆者將本次設(shè)計(jì)永磁電機(jī)的額定電流為6.2A，功率為1KW，峰值轉(zhuǎn)速為6400r·min-1，峰值轉(zhuǎn)矩為15.8N·m，控制器的輸出電壓為180V，額定轉(zhuǎn)速為2900 r·min-1，額定轉(zhuǎn)矩3.17 N·m，短時(shí)過載倍數(shù)為5倍。

2.主要尺寸

本次設(shè)計(jì)的永磁電機(jī)所參考的工業(yè)機(jī)器人大小適中，但是內(nèi)部的關(guān)節(jié)點(diǎn)擊安裝空間較小，使得這次設(shè)計(jì)的定子外徑也較為嚴(yán)格，根據(jù)實(shí)際調(diào)查，筆者認(rèn)為外徑60mm，軸向長(zhǎng)度70mm長(zhǎng)度的外徑能夠符合本次設(shè)計(jì)的需求。

在極槽配合方面，經(jīng)過相關(guān)仿真，筆者發(fā)現(xiàn)10極12槽電樞反應(yīng)電抗最低，同時(shí)在空載、額定負(fù)載、五倍過載三種過載的情況下，其轉(zhuǎn)矩波動(dòng)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于8極12槽和8極18槽，所以本次設(shè)計(jì)將極槽配合確定為10極12槽。

在定子裂比方面，因?yàn)槎ㄗ恿驯群蜌庀洞磐俊⒍ㄗ永@組匝和電機(jī)過載倍數(shù)有著直接的關(guān)系，所以針對(duì)定子裂比的特性、繞組電阻的銅耗量和整體過在效率，筆者認(rèn)為定子裂比為2時(shí)其各項(xiàng)參數(shù)與性能相對(duì)最優(yōu)。

在永磁體設(shè)計(jì)方面，本設(shè)計(jì)將選擇牌號(hào)N38UH的欽鐵硼材料作為永磁體。由前文分析，由于本文所設(shè)計(jì)電機(jī)不采用弱磁控制，為防止過大的電樞反應(yīng)電抗影響電機(jī)的過載能力，將采用表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。除了可以保證過載能力，表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)安裝簡(jiǎn)單，成本低，可通過對(duì)永磁體進(jìn)行削角保證磁密波形正弦性，有效降低波動(dòng)及電磁噪音。同時(shí)隨著永磁體厚度增加，過載能力增強(qiáng)，效率降低，鐵耗增加。永磁體厚度為3mm時(shí)，即可滿足5倍過載的設(shè)計(jì)要求。為了節(jié)省永磁體用量，獲得相對(duì)較高的效率和較低的鐵耗，將永磁體厚度定為3mm。

在不等氣隙長(zhǎng)度優(yōu)化方面，本文所設(shè)計(jì)電機(jī)為機(jī)器人用電機(jī)，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)有一定的要求。為了進(jìn)一步降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，對(duì)永磁體外圓進(jìn)行了不等氣隙優(yōu)化處理，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)筆者可以斷定，隨著不等氣隙比例的降低，永磁體渦流損耗以及輸出轉(zhuǎn)矩呈緩慢上升趨勢(shì)。當(dāng)不等氣隙比例為1.2時(shí)，電機(jī)在空載、額定負(fù)載和5倍過載情況下的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小，為此本文選定永磁體外圓不等氣隙比例為1.2。

四、總結(jié)

總而言之，本文根據(jù)永磁同步電機(jī)的過載能力方向出發(fā)，對(duì)永磁電機(jī)的極槽配合、定子裂比、用題詞設(shè)計(jì)和不等氣隙長(zhǎng)度優(yōu)化四個(gè)方面對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，讓其能夠滿足當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人的工作環(huán)境和生產(chǎn)要求。根據(jù)后續(xù)的仿真模擬實(shí)驗(yàn)，筆者對(duì)本次設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)進(jìn)行了運(yùn)行模擬，發(fā)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)的電機(jī)不僅能夠正常運(yùn)行，同時(shí)過載能力也能達(dá)到傳統(tǒng)電機(jī)的5倍左右，整體能力提升了50%。

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