余菊峰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

由于受到自然因素及各種自身原因的影響，各類輸氣、輸油及輸水管道在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用之后，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)管道破裂或堵塞，導(dǎo)致輸送介質(zhì)泄漏或輸送效率降低，有時(shí)甚至引起爆炸、火災(zāi)等惡性事故。為加強(qiáng)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)安全生產(chǎn)與管理、保障城市能源供應(yīng)與使用安全，必須對(duì)管道進(jìn)行定期檢查[1]，新型管道檢測(cè)機(jī)器人可以代替人類進(jìn)入到復(fù)雜多變的管道環(huán)境中,并通過(guò)自身攜帶的檢測(cè)或疏通裝置對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)及維護(hù)工作,確保管道有效安全的工作。管道機(jī)器人機(jī)械本體對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能具有重要影響作用,直接影響管道機(jī)器人的控制特性[2]。

本文介紹的永磁同步電動(dòng)機(jī)主要用于管道檢測(cè)機(jī)器人中的自主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，是系統(tǒng)中的主要驅(qū)動(dòng)動(dòng)力元件。此電動(dòng)機(jī)具有體積緊湊、可靠性好、耐溫性能強(qiáng)、功率密度高等特點(diǎn)，在各種管道檢測(cè)系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

1 基本結(jié)構(gòu)和原理

首先結(jié)合管道檢測(cè)機(jī)器人使用環(huán)境的要求，采用有限元分析軟件分析不同極槽配合形式的電機(jī)運(yùn)行特性，同時(shí)優(yōu)化電機(jī)磁鋼形狀，降低電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩變化，有效提高永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率及可靠性。電機(jī)控制系統(tǒng)采用無(wú)位置傳感器的驅(qū)動(dòng)控制方式，確保電機(jī)裝置的可靠運(yùn)行。

1.1 電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

管道檢測(cè)機(jī)器人用永磁同步電動(dòng)機(jī)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

電機(jī)采用徑向磁路結(jié)構(gòu)，整體外形為管狀細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，電機(jī)內(nèi)部腔體充油，通過(guò)油進(jìn)行熱量傳遞，確保整個(gè)電機(jī)溫度平衡。轉(zhuǎn)軸作為減速器的第一級(jí)，經(jīng)過(guò)高變比減速器與外部爬行裝置相連，通過(guò)控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的管道內(nèi)行走。

1.2 主要工作原理

本電機(jī)為徑向磁路永磁同步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)三相繞組依次鑲嵌在定子鐵心的槽中，轉(zhuǎn)子采用稀土永磁材料進(jìn)行勵(lì)磁。電機(jī)采用的控制方式為無(wú)位置傳感器驅(qū)動(dòng)模式，通過(guò)檢測(cè)繞組電壓過(guò)零點(diǎn)來(lái)判斷轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置。上位驅(qū)動(dòng)器根據(jù)檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置改變定子電樞線圈中的電流方向，確保轉(zhuǎn)子氣隙磁通與定子電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)總是保持正交，使得輸出轉(zhuǎn)矩始終最大。

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

針對(duì)管道檢測(cè)機(jī)器人爬行系統(tǒng)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的要求，本文有如下幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)內(nèi)容：

2.1 低脈動(dòng)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)及仿真技術(shù)

本文電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速在8 000 r/min,并通過(guò)兩級(jí)減速器減速后輸出。針對(duì)這一運(yùn)行要求，本電機(jī)設(shè)計(jì)采用6齒2極的整數(shù)槽形式，具有較高的繞組系數(shù)，定子為分布繞組，具有較高的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，并有效地減小電機(jī)繞組端部長(zhǎng)度，降低銅耗，從而提高電機(jī)效率；采用兩極轉(zhuǎn)子可以有效降低運(yùn)行頻率，減少電機(jī)的定子損耗。本文對(duì)電機(jī)定子沖片的齒部與軛部進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使得額定運(yùn)行時(shí)定子鐵心各部分磁密值適當(dāng)，這樣可以有效減少鐵耗，并在保證定子各部分磁密選取適當(dāng)?shù)臈l件下增加定子槽的面積，可以有效降低定子繞組電阻值，最終實(shí)現(xiàn)降低電機(jī)銅耗的目的[4]。同時(shí)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼形狀及磁鋼跨距角度(轉(zhuǎn)子磁鋼最終跨距角度確定為120°)進(jìn)行多方案對(duì)比分析，優(yōu)化氣隙磁密分布，減少氣隙磁密中高次諧波含量，最終有效降低電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩。圖2為電機(jī)磁路分布圖，圖3為電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的磁密分布圖仿真結(jié)果，從圖3中可以看出，電機(jī)定子齒部與軛部的磁密值均選取合適。同時(shí)計(jì)算出管道檢測(cè)機(jī)器人額定運(yùn)行條件下電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩波形如圖4所示，反電勢(shì)波形如圖5所示。

圖2 電機(jī)磁路分布圖

圖3 磁密分布圖

圖4 電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩圖

圖5 電機(jī)線反電勢(shì)波形

圖6為電機(jī)在加載運(yùn)行時(shí)的磁密分布圖，圖7為電機(jī)加載時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩波形?？梢钥闯觯ㄞD(zhuǎn)子各部分磁密在加載條件下并未飽和，確保電機(jī)在加載條件下輸出轉(zhuǎn)矩滿足使用要求。從圖8中可以看出，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩下降明顯，可以有效降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，提高運(yùn)行控制精度。

圖6 加載時(shí)磁密分布圖

圖7 加載時(shí)轉(zhuǎn)矩輸出圖

(a) 優(yōu)化前

(b) 優(yōu)化后

2.2 耐高溫環(huán)境設(shè)計(jì)技術(shù)

針對(duì)管道檢測(cè)機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的要求，運(yùn)行時(shí)環(huán)境溫度最高能達(dá)到180 ℃，再加上電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量，普通電機(jī)無(wú)法達(dá)到這種要求，因此在電機(jī)設(shè)計(jì)及材料選擇上要進(jìn)行詳細(xì)的考慮。

2.2.1 提高整體效率，減小自身發(fā)熱

1) 采用6齒2極的齒槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，定子為分布繞組，轉(zhuǎn)矩系數(shù)較高，同時(shí)有效減小電機(jī)繞組端部長(zhǎng)度來(lái)降低銅損，從而提高電機(jī)效率。

2) 針對(duì)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速較高的特點(diǎn)，采用兩極設(shè)計(jì)形式，有效降低電機(jī)運(yùn)行頻率，減少電機(jī)定子鐵損；采用厚度0.1 mm高導(dǎo)磁性能低鐵耗系數(shù)的硅鋼片，作為定子鐵心的材料，進(jìn)一步降低定子鐵耗。

3) 轉(zhuǎn)子磁鋼采用斜極并優(yōu)化設(shè)計(jì)磁鋼外形及跨距角度，有效降低高次諧波產(chǎn)生的損耗。

2.2.2 提高自身散熱及抗熱能力，確保電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行

1) 電機(jī)采用封閉式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部填充變壓器油，通過(guò)變壓器油作為導(dǎo)熱介質(zhì)，將定子產(chǎn)生的熱量均勻傳遞到電機(jī)各部分，避免因局部溫度過(guò)高導(dǎo)致電機(jī)失效。

2) 電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼采用稀土釤鈷永磁材料，耐溫可達(dá)300 ℃；定子線圈采用聚酰亞胺漆包線，耐溫可達(dá)250 ℃，以滿足電機(jī)在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。

3 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)技術(shù)要求，對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了技術(shù)參數(shù)測(cè)試。電動(dòng)機(jī)輸入電壓為500 V(DC)，額定轉(zhuǎn)速為8 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為0.5 N·m，其反電動(dòng)勢(shì)測(cè)試波形如圖9所示,測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果相比較基本吻合。氣隙磁通測(cè)試波形如圖10所示，波形較好，與仿真基本接近。

圖9 反電勢(shì)測(cè)試波形圖

圖10 氣隙磁通測(cè)試波形圖

電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)輸入電壓511 V，電流0.24 A，電機(jī)轉(zhuǎn)速8 600 r/min。電機(jī)及控制器與機(jī)器人整體裝配良好，電機(jī)帶20∶1減速器及其它執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)器人懸空測(cè)試，輸入電壓467 V，電流0.61 A。隨后進(jìn)行機(jī)器人帶載實(shí)驗(yàn)，機(jī)器人在空心管道中爬行，經(jīng)過(guò)滑輪拖動(dòng)80 kg重物測(cè)試。此時(shí)輸入電壓430 V，電流1.2 A(見(jiàn)圖11)，機(jī)器人爬行正常。同時(shí)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)隨機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)際進(jìn)行了高溫測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行溫度為180 ℃，在此運(yùn)行條件下整個(gè)系統(tǒng)正常工作。

圖11 額定運(yùn)行相電流波形

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用細(xì)長(zhǎng)管狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效減小了永磁同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積，使得系統(tǒng)的整體質(zhì)量得到有效控制；通過(guò)仿真進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，并提高了電機(jī)的運(yùn)行效率；采用耐高溫設(shè)計(jì)技術(shù)，使系統(tǒng)可以在超高溫條件下穩(wěn)定運(yùn)行。