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        一種高端制造裝備用伺服電機(jī)設(shè)計(jì)研究

        2019-11-15 08:26:30范雪蕾莫會(huì)成
        微電機(jī) 2019年9期
        關(guān)鍵詞:槽口齒槽永磁體

        范雪蕾,莫會(huì)成,莫 為

        (1.西安微電機(jī)研究所,西安 710077;2.陜西科技控股集團(tuán)有限責(zé)任公司,西安 710077;3.西安西微智能科技有限公司,西安 710077)

        0 引 言

        當(dāng)前世界經(jīng)濟(jì)格局正在發(fā)生深刻變革和調(diào)整。加速培育和發(fā)展高端裝備制造業(yè),既是構(gòu)建國際競爭新優(yōu)勢,掌握發(fā)展主動(dòng)權(quán)的迫切需要,也是轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式,推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)的內(nèi)在需求。未來5~10年,我國高端裝備制造業(yè)將迎來發(fā)展的重要戰(zhàn)略機(jī)遇期。作為高端裝備制造業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向和信息化與工業(yè)化深度融合的重要體現(xiàn),大力培育和發(fā)展智能制造裝備產(chǎn)業(yè)對(duì)于加快制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí),提升生產(chǎn)效率、技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量,降低能源資源消耗,實(shí)現(xiàn)制造過程的智能化和綠色化發(fā)展具有重要意義。

        近年來以“智能制造”為核心理念的第三次工業(yè)革命的浪潮已經(jīng)到來,而其核心技術(shù)之一就是工業(yè)機(jī)器人。永磁交流伺服系統(tǒng)是機(jī)器人三大關(guān)鍵技術(shù)之一,它主要解決機(jī)器人動(dòng)力學(xué)問題如精度、速度、平穩(wěn)性等。

        電機(jī)作為伺服系統(tǒng)中的一部分,其反電勢正弦性及齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)系統(tǒng)精度及平穩(wěn)性有很大的影響。本文主要對(duì)電機(jī)反電勢波形及齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了優(yōu)化,盡可能地削弱反電勢諧波、降低齒槽轉(zhuǎn)矩,以達(dá)到高端制造裝備對(duì)電機(jī)的高要求。

        1 電磁設(shè)計(jì)

        1.1 電機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

        電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

        表1 電機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

        1.2 電磁方案的確定

        電機(jī)采用20極24槽方案,定子為平行齒,轉(zhuǎn)子永磁體采用表貼式結(jié)構(gòu)。同時(shí),在有效串聯(lián)匝數(shù)不變的情況下,增大繞組線徑有效截面積,選用釹鐵硼N38UH永磁體,以提升電機(jī)電、磁負(fù)荷,增加電機(jī)有效輸出轉(zhuǎn)矩。采用Ansys Maxwell設(shè)計(jì)軟件對(duì)電機(jī)進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)及仿真計(jì)算[1-2],以下為仿真計(jì)算結(jié)果。

        定子繞組選擇跨距為1的分?jǐn)?shù)槽雙層繞組,布置圖如圖1所示。

        圖1 繞組布置圖

        電機(jī)磁力線分布圖如圖2所示。

        圖2 電機(jī)磁力線分布圖

        可以看出電機(jī)磁力線分布符合分?jǐn)?shù)槽電機(jī)的磁力線分布特征,任意時(shí)刻下,并不是每一處定子鐵心軛部都有磁力線通過。

        電機(jī)磁密云圖如圖3所示。

        可以看出,除定子鐵心齒肩及轉(zhuǎn)子鐵心軛部磁密較高,出現(xiàn)局部飽和現(xiàn)象外,其余部分磁密在1.6T及以下。

        圖3 磁密云圖

        2 電磁優(yōu)化

        2.1 齒槽定位轉(zhuǎn)矩的降低

        (1)有限元模型的建立

        在建立電機(jī)模型時(shí),認(rèn)為電機(jī)為理想狀態(tài),即:

        ①鐵心疊壓系數(shù)為1。

        ②電機(jī)中任一部分材料均勻相同、永磁體相同無差異。

        電機(jī)有限元模型及網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖4、圖5所示。

        圖4 電機(jī)有限元模型

        圖5 電機(jī)網(wǎng)格剖分

        為便于建立模型做了以上假設(shè),但在電機(jī)實(shí)際制造過程中,鐵心采用膠粘或者焊接的方式疊壓,沖片與沖片之間都有一定厚度的漆膜或膠膜,所以疊壓系數(shù)不可能為1。另外,電機(jī)所用材料不可能均勻相同,但偏差都控制在一定范圍內(nèi),例如可控制同一臺(tái)電機(jī)所用的永磁體磁性能偏差在3%或者5%以內(nèi)。

        (2)齒槽定位轉(zhuǎn)矩求解

        以槽口寬度為設(shè)計(jì)變量,取值范圍設(shè)定為1.5~3.5mm,繞組線徑為0.56mm,槽口寬度最小值大于線徑;同時(shí)為了簡化計(jì)算,將增量步長設(shè)為0.5mm。通過有限元仿真得到了不同槽口寬度的齒槽定位轉(zhuǎn)矩,如表2所示。

        表2 不同槽口寬度的齒槽定位轉(zhuǎn)矩

        根據(jù)表2繪制出槽口寬度與齒槽定位轉(zhuǎn)矩的關(guān)系圖,如圖6所示。

        圖6 不同槽口寬度時(shí)電機(jī)的齒槽定位轉(zhuǎn)矩

        通過以上仿真結(jié)果可看出:剛開始隨著槽口寬度的增加,齒槽定位轉(zhuǎn)矩逐漸減小,在槽口寬度為2mm時(shí)達(dá)到最小值204.15mN·m。隨后,隨著槽口寬度的繼續(xù)增加,齒槽定位轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)而增大。所以,電機(jī)定子沖片槽口寬度設(shè)計(jì)為2mm,此時(shí)齒槽定位轉(zhuǎn)矩僅為204.15mN·m,符合≤500mN·m的目標(biāo)值。

        2.2 反電勢諧波的削弱

        在電機(jī)的設(shè)計(jì)過程中,不僅要考慮反電勢的量值大小,因?yàn)樗谝欢ǔ潭壬戏从沉穗姍C(jī)的負(fù)載能力,還要考慮反電勢的諧波含量。反電勢諧波含量越小說明電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也越小。合理選擇永磁體形狀對(duì)電機(jī)反電勢波形的影響至關(guān)重要,本文研究的電機(jī)永磁體形狀為面包形,如圖7所示。轉(zhuǎn)子外徑、永磁體寬度及厚度確定后,進(jìn)而確定偏心距L1,L1的大小決定Rs的大小,而Rs的大小決定了電機(jī)反電勢波形的正弦度。

        圖7 永磁體形狀

        以偏心距為設(shè)計(jì)變量,取值范圍設(shè)定為0~55mm,增量步長設(shè)為5mm,線反電勢峰值以及線反電勢諧波含量仿真結(jié)果如表3所示。

        表3 不同偏心距的線反電勢峰值及線反電勢諧波含量

        可以看出,雖然永磁體采用偏心方式進(jìn)行削角之后,反電勢的基波幅值有所下降,但對(duì)諧波幅值同樣具有削減作用。根據(jù)表3中偏心距與線反電勢峰值的數(shù)據(jù)繪制出兩者的關(guān)系圖,如圖8所示。

        圖8 線反電勢峰值與偏心距關(guān)系圖

        可以看出,隨著偏心距的增大,電機(jī)線反電勢峰值一直在下降。

        再根據(jù)表4中偏心距與線反電勢諧波含量的數(shù)據(jù)繪制出兩者的關(guān)系圖,如圖9所示。

        圖9 線反電勢諧波含量與偏心距關(guān)系圖

        可以看出,隨著偏心距的增大,反電勢中的諧波含量也在大幅降低,在偏心距為55mm時(shí),電機(jī)線反電勢諧波含量已降低至1.22%以下,極大程度地降低了轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

        綜合考慮電機(jī)負(fù)載能力和轉(zhuǎn)矩波動(dòng),最終永磁體偏心距取值54.1mm,電機(jī)線反電勢波形如圖10所示。

        圖10 線反電勢波形圖

        從線反電勢波形來看,波形為正弦波,峰值為121.6V(300r/min),將其進(jìn)行FFT(快速傅里葉變換)后,如圖11所示。

        圖11 線反電勢FFT分解

        可以看出,線反電勢基波幅值為120.8V,再據(jù)諧波畸變率定義,將各階次諧波幅值帶入計(jì)算,諧波含量為1.38%,在2%以下,電機(jī)線反電勢正弦性較好,能夠滿足高精度的使用要求。

        2.3 技術(shù)指標(biāo)符合性

        根據(jù)以上仿真結(jié)果可以得出電機(jī)技術(shù)要求與設(shè)計(jì)值的對(duì)比表,如表4所示。

        表4 電機(jī)技術(shù)要求與設(shè)計(jì)值對(duì)比表

        可以看出,設(shè)計(jì)值與要求值相符,電機(jī)電磁設(shè)計(jì)結(jié)果滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。

        3 樣機(jī)制造與測試

        根據(jù)本文提出的伺服電機(jī)電磁設(shè)計(jì)及優(yōu)化方案,西安微電機(jī)研究所生產(chǎn)出了一臺(tái)樣機(jī),并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了性能測試。

        3.1 反電勢波形測試

        用穩(wěn)速轉(zhuǎn)臺(tái)拖動(dòng)樣機(jī)至300r/min,用示波器測試此時(shí)的線反電勢波形及線反電勢有效值。電機(jī)線反電勢波形圖如圖12所示。

        圖12 電機(jī)線反電勢波形

        反電勢系數(shù)實(shí)測值為0.285V/r·min-1,與計(jì)算值0.285V/r·min-1吻合。

        采用功率分析儀對(duì)電機(jī)線反電勢進(jìn)行諧波含量的測試,電機(jī)線反電勢諧波含量圖如圖13所示。

        圖13 電機(jī)線反電勢諧波含量圖

        電機(jī)線反電勢諧波含量實(shí)測值為1.36%,計(jì)算值為1.38%,從測試結(jié)果可看出,實(shí)測值與計(jì)算值基本相同。

        3.2 齒槽定位轉(zhuǎn)矩測試

        利用先進(jìn)的齒槽定位轉(zhuǎn)矩測試系統(tǒng)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行齒槽定位轉(zhuǎn)矩的測試,測試系統(tǒng)由被測電機(jī)、負(fù)載裝置及高精度扭矩傳感器組成,通過連續(xù)采集高精度扭矩傳感器的輸出信號(hào)并進(jìn)行處理得出被測電機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化[3]。

        被測電機(jī)以1r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行,測試此轉(zhuǎn)速下的齒槽定位轉(zhuǎn)矩,測試系統(tǒng)界面如圖14所示。

        從測試結(jié)果中可以看出,電機(jī)齒槽定位轉(zhuǎn)矩峰峰值占額定轉(zhuǎn)矩的比例為0.408%,即127×0.408%=518mN·m。則齒槽定位轉(zhuǎn)矩峰值為259mN·m,小于500mN·m。

        圖14 電機(jī)齒槽定位轉(zhuǎn)矩測試系統(tǒng)界面

        3.3 力能測試

        電機(jī)進(jìn)行力能測試時(shí),使用專用工裝與測功機(jī)進(jìn)行連接。整個(gè)測試系統(tǒng)包括被測電機(jī)、試驗(yàn)工裝(試驗(yàn)用驅(qū)動(dòng)器也是試驗(yàn)工裝的一部分)及測功機(jī)。電機(jī)要求值、計(jì)算值及測試值如表5所示。

        表5 伺服電機(jī)要求值、計(jì)算值及測試值對(duì)比表

        樣機(jī)測試值與計(jì)算值接近,能夠滿足技術(shù)指標(biāo)的要求,且在測試過程中,運(yùn)行平穩(wěn),完全能夠滿足高端制造裝備在實(shí)際使用中的要求。

        4 結(jié) 論

        本文介紹的是一款具有極低諧波含量、較低齒槽定位轉(zhuǎn)矩的伺服電機(jī),首先根據(jù)技術(shù)要求確定電機(jī)的基本電磁方案,進(jìn)而通過優(yōu)化定子沖片槽口寬度來降低電機(jī)齒槽定位轉(zhuǎn)矩;通過合理選擇轉(zhuǎn)子永磁體偏心距來削弱反電勢諧波含量,同時(shí)兼顧電機(jī)負(fù)載能力和反電勢諧波含量,選擇最優(yōu)值。以上優(yōu)化措施可達(dá)到提高電機(jī)精度、保證運(yùn)行平穩(wěn)性的目的。

        此類型伺服電機(jī)具備精度高、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn),在高端制造裝備伺服系統(tǒng)中,將起到至關(guān)重要的作用。

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