張飛陽,閆 鑫,陳幫軍,李華鋒

(黃河科技學(xué)院，河南 鄭州 450000)

0 引言

永磁直流力矩電機作為直流電機的一種，是近年來隨著永磁技術(shù)的不斷成熟而發(fā)展起來的一種新型直流電機。在實際的工業(yè)生產(chǎn)中，許多自動控制系統(tǒng)所控制的對象設(shè)備，如關(guān)節(jié)型機器人等，其工作時轉(zhuǎn)速往往是相對較低的。這種情況下使用高速電機需要在整個機構(gòu)中加裝行星減速器，以此達到降低輸出轉(zhuǎn)速的目的。如此一來就大大增加了機構(gòu)的復(fù)雜程度，增加產(chǎn)品的體積與重量，對于有嚴格重量要求的設(shè)備加大了設(shè)計的難度。同時因為加入了減速器，齒輪傳動進一步降低了系統(tǒng)的精度與傳動效率，放大機構(gòu)工作的噪聲，帶來一系列負面的因素，在如今激烈的市場環(huán)境下，產(chǎn)品便失去了其核心的競爭力。

如果改變設(shè)計思路選用永磁直流力矩電機，便可規(guī)避上述的負面因素。因為永磁直流力矩電機有著轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩大、過載能力強的機械特性，同時又響應(yīng)速度快、力矩波動小，所以非常符合一些工業(yè)機器人的工作需要，是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中的一種重要的機電元件[1]。不僅如此在機器人系統(tǒng)中電機直接與驅(qū)動對象連接，具有較高的耦合度，能夠較好地減少軸系震蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。為此我們特別設(shè)計了一種用于工業(yè)機器人關(guān)節(jié)處的低速大扭矩永磁直流力矩電機，其結(jié)構(gòu)簡單，加工難度低，體積小，質(zhì)量輕，卻又能滿足性能指標(biāo)，符合設(shè)備相應(yīng)工況下的工作需要。

1 設(shè)計原理與結(jié)構(gòu)組成

對于永磁同步電動機的設(shè)計，首先應(yīng)根據(jù)所需要的技術(shù)指標(biāo)，選擇合理的電樞繞組和電子換向線路的組合方式。其次是進行電路和磁路系統(tǒng)設(shè)計：一方面在確定的技術(shù)指標(biāo)下，盡可能地設(shè)計出重量輕、尺寸小、經(jīng)濟指標(biāo)好的電機；另一方面，適當(dāng)選擇電磁參數(shù)，以保證電機的運行特性滿足使用要求。

電動機本體主要包括主轉(zhuǎn)子和主定子。二者必須滿足電磁方面的要求，保證在工作氣隙中產(chǎn)生足夠的磁通。電樞繞組中允許通過一定的電流，以產(chǎn)生特定的電磁轉(zhuǎn)矩。其次，電動機還需滿足機械方面的要求，保證機械結(jié)構(gòu)牢固、穩(wěn)定，能傳送所需的轉(zhuǎn)矩，并能經(jīng)受一定環(huán)境條件的考驗。此外，還要考慮電動機運行的可靠性、結(jié)構(gòu)的工藝性等。

電動機組成如圖1所示，其中包含端蓋、機殼、定子、轉(zhuǎn)子等。

為了使電機結(jié)構(gòu)足夠簡單，電機機殼與法蘭盤為一體，其上6個安裝孔起到同機器人機構(gòu)連接與固定的作用，電機軸心處空置并預(yù)留有鍵槽，能夠與相應(yīng)的轉(zhuǎn)軸適配。安裝電機時我們只需使用螺釘把定子部分的機殼固定于機器人機構(gòu)的框架上，將轉(zhuǎn)子與機器人的軸伸端連接，通過鍵使機器人機構(gòu)伸出軸與轉(zhuǎn)子同軸轉(zhuǎn)動，即可通過伺服系統(tǒng)對電機下達控制指令。

從電機輸出形式的結(jié)構(gòu)來看，該永磁直流力矩電機并非傳統(tǒng)的伸出軸的類型，而是中空的孔形設(shè)計?？椎闹睆椒较蜷_有平鍵槽，用于和機器人伸出軸連接。當(dāng)設(shè)備的載荷量、傳動的力矩較大時，也可以將平鍵槽改為花鍵結(jié)構(gòu)。花鍵設(shè)計雖較之平鍵加工成本相對高一些，卻可以大幅度地提升傳動的平穩(wěn)性與負載能力，此處鍵槽類型應(yīng)結(jié)合具體實際的工況需要選擇相應(yīng)的方式。另外此電機生產(chǎn)工藝簡單，零部件多成規(guī)則的圓柱結(jié)構(gòu)，加工方便。中心連接孔余量大，可設(shè)置一系列不同孔徑尺寸滿足不同的需要，實現(xiàn)一次設(shè)計滿足多種場合的應(yīng)用，讓電機成為安裝與更換便捷的模塊化產(chǎn)品，大大提升電機的實用價值。

2 電機設(shè)計

由于永磁同步電機磁場的特殊性，使得準(zhǔn)確設(shè)計相對困難。目前大家所采用的電機設(shè)計方法主要分為以下三種：圖解磁路計算法、等效磁路網(wǎng)絡(luò)法和有限元磁場數(shù)值分析法[3]。而通過計算機輔助設(shè)計采用有限元磁場數(shù)值分析法相比之前兩種方法可以得到更加準(zhǔn)確清晰的數(shù)據(jù)。越是準(zhǔn)確直觀的參數(shù)對電機整體性設(shè)計就越好，可以使電機的性能更加可靠，減少不必要的冗余，降低成本損耗。

2.1 電機主要尺寸的確定

在電機設(shè)計中，通常根據(jù)公式(1)確定電機主要尺寸：電樞直徑Da、電樞鐵心長度l，電機的其它尺寸(包括磁路尺寸、結(jié)構(gòu)尺寸)和重量、技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)都依賴于它。

(1)

式中Da為電樞直徑(cm)；lt為電樞鐵芯計算長度(cm)；n為轉(zhuǎn)速(r/min)；αi為計算極弧系數(shù)；kw為繞組系數(shù)；kΦ為磁場波形系數(shù)；A為電負荷，即線負荷(A/cm)；Bδ為磁負荷，即氣隙磁感應(yīng)強度(Gs)；P′為計算功率(VA)

根據(jù)公式(1)，電機輸出力矩的大小不僅與電機的電磁負荷有關(guān)，還取決于電機的主要尺寸。設(shè)計時在給定的外形尺寸下，盡可能加大電機的主要尺寸：定子內(nèi)徑及定子鐵芯長度；同時選取合適的結(jié)構(gòu)尺寸，使電機磁鋼工作點盡可能靠近剩余磁感應(yīng)強度點，以獲取較大的氣隙磁密，從而提高電機的輸出力矩和效率，使設(shè)計方案達到最優(yōu)。

2.2 電機定子、轉(zhuǎn)子設(shè)計

電機定子、轉(zhuǎn)子主要參數(shù)見表1。

表1 電機定、轉(zhuǎn)子主要參數(shù)

進行合理的磁路設(shè)計，本永磁直流力矩電機設(shè)計方案為26極24槽。合適的極槽數(shù)配合使電機具有合理的磁路工作點，以降低電機銅損、鐵耗。采取Maxwell 2D有限元模擬仿真和計算，設(shè)計時保證電機定子沖片齒部和軛部的磁密基本一致，使電機定子鐵耗分布均勻。設(shè)計時應(yīng)選取合適的氣隙長度，以削弱電樞反應(yīng)以及齒槽效應(yīng)對氣隙磁場的影響。

電機轉(zhuǎn)子磁鋼采用表貼式結(jié)構(gòu)。電機高速運轉(zhuǎn)，為提高電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度，在磁鋼外加裝一層鋼制護套，保證電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)牢固可靠。合理選取電機的極弧系數(shù)，使得電機每極下的齒數(shù)接近整數(shù)，同時在氣隙內(nèi)的磁導(dǎo)一致，有效削弱齒槽效應(yīng)。

對于電機的磁鋼材料，通過篩選和對比考慮選用高性能的釤鈷磁鋼，這種磁鋼不僅具有較高的剩余磁感應(yīng)強度、矯頑力和較強的抗去磁能力，同時具有較低的剩磁溫度系數(shù)(-0.05%)和較高的居里溫度。該材料磁鋼有利于提高電機性能體積比，增大電機起動轉(zhuǎn)矩，減小時間常數(shù)，保證磁鋼在起動和運行過程中不會發(fā)生不可逆退磁；另外也不會因為內(nèi)部溫度過高，導(dǎo)致磁鋼性能下降，保證電機運行的穩(wěn)定性。

2.3 電磁計算

利用ANSYS MAXWELL電機仿真軟件根據(jù)以上分析建立電機模型，并進行尺寸和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。

當(dāng)電機發(fā)生連續(xù)堵轉(zhuǎn)時，堵轉(zhuǎn)電流不會超過1.5A，電機發(fā)熱情況穩(wěn)定，負載運行比較可靠。圖2中，曲線1為轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速變化曲線，曲線2為功率—轉(zhuǎn)速變化曲線，曲線3為效率—轉(zhuǎn)速變化曲線，統(tǒng)稱為電機的特性曲線，由圖可以看出轉(zhuǎn)矩會隨著轉(zhuǎn)速的升高而降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，電機扭矩將會增大以彌補降低的轉(zhuǎn)速，體現(xiàn)出電機軟的特性。

3 設(shè)計分析

空載反電勢波形畸變率是衡量電機性能的重要指標(biāo)，永磁同步電機中的空載反電勢是由空載氣隙磁通在電樞繞組中感應(yīng)產(chǎn)生。但由于永磁同步電機本身的磁路特點，其氣隙磁場波形并非正弦分布，諧波含量較大，造成空載反電勢波形畸變率大。通過Ansoft軟件對電機有限元分析，采用永磁體偏心距和優(yōu)化極弧系數(shù)的方法降低空載反電勢波形畸變率，達到改善電機反電勢正弦波形的目的，見圖3。

利用Maxwell2D的瞬態(tài)場對電機進行周期反電勢展開傅里葉級數(shù)分析，得到反電勢諧波分析圖，然后將基波和其他高次諧波分析值輸出到Excel表格中，求取平均值的畸變率。根據(jù)公式(2)得出：

(2)

式中v1為基波幅值；Vh為高次諧波幅值

計算得反電勢畸變率為0.93%，滿足應(yīng)用需求。

永磁同步電動機齒槽效應(yīng)明顯，使運行中產(chǎn)生機械振動較大，在控制精度高的場合，必須減小齒槽轉(zhuǎn)矩。通過優(yōu)化電機本體，調(diào)整定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)和永磁體組合可以有效降低齒槽轉(zhuǎn)矩。

在定子結(jié)構(gòu)參數(shù)中，選擇合適的齒傾斜角、定子齒寬，以及優(yōu)化永磁體極弧系數(shù)等可以解決齒槽轉(zhuǎn)矩過大的問題，但是容易出現(xiàn)空載反電動勢幅值減小，進而引起繞組電流偏大，電機損耗增加的問題。利用Maxwell2D仿真優(yōu)化齒槽扭矩。如圖4所示，顯示齒槽扭矩為8.57mN·m。

電動機磁場分布的定量確定對電動機性能的分析極為重要，我們利用ANSOFT軟件，對不同磁路結(jié)構(gòu)在空載和不同負載下的磁場和氣隙磁密分布進行有限元分析和比較，并分析了永磁體充磁方向、極弧系數(shù)和氣隙長度對磁場分布以及氣隙磁密的影響。分析結(jié)果為我們在設(shè)計時合理選擇電磁參數(shù)和最佳磁路結(jié)構(gòu)，提供了理論依據(jù)，見圖5、圖6。

通過仿真計算我們得出在額定電壓22VDC下，該電機額定輸出扭矩大于等于3.25N·m，峰值扭矩大于等于4.9N·m，峰值扭矩下轉(zhuǎn)速大于等于270rpm最高轉(zhuǎn)速不超過500rpm，電機重量小于1700g。完全滿足工業(yè)機器人關(guān)節(jié)處使用需要，而且其安裝簡易，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性較強。同時其重量輕這一特點，極大地減少了一些對重量要求較高的設(shè)備的總重。

4 結(jié)語

本文結(jié)合電磁仿真軟件設(shè)計了一種低轉(zhuǎn)速、大扭矩的永磁直流力矩電機。其結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，能夠很好地應(yīng)用于機器人領(lǐng)域，具有較高的實用價值與良好的市場前景。