楊光力，吳 娜，彭輝燈，卓 亮

(1.貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴州 貴陽 550008；2.國家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550008)

0 引言

高無刷直流力矩電機(jī)具有輸出力矩大、過載能力強(qiáng)、運(yùn)行平穩(wěn)、伺服控制性能好的特點(diǎn)，是自動(dòng)控制系統(tǒng)中最常用的執(zhí)行元件[1-3]。近年來廣泛應(yīng)用在機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、閥門、衛(wèi)星轉(zhuǎn)臺(tái)、雷達(dá)導(dǎo)向等需要高精度位置或角度調(diào)節(jié)的伺服系統(tǒng)中。而無刷直流力矩電機(jī)的靜摩擦力矩一直是困擾系統(tǒng)的難題，因靜摩擦力矩的存在就意味著系統(tǒng)有“死區(qū)”，同時(shí)引起電機(jī)振動(dòng)、噪聲和控制困難，隨著系統(tǒng)精度的不斷提高，要求力矩電機(jī)的靜摩擦力矩越來越小[4-5]。靜摩擦力矩包含軸承的機(jī)械摩擦力矩、定子開槽引起的齒槽轉(zhuǎn)矩等兩部分，機(jī)械摩擦力矩與電機(jī)的靜載荷、軸承與軸之間的摩擦系數(shù)有關(guān)，齒槽轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的極弧系數(shù)、槽口寬度、定轉(zhuǎn)子氣隙大小等因素有關(guān)，影響分體式無刷直流力矩電機(jī)靜摩擦力矩大小的因素較多，同時(shí)氣隙不均勻，永磁體和繞組空間分布的不對(duì)稱、定轉(zhuǎn)子的加工和安裝精度等制造工藝因素也會(huì)影響電機(jī)靜摩擦力矩[6-9]。因此有必要對(duì)系統(tǒng)靜摩擦力矩進(jìn)行研究，對(duì)提高分體式無刷力矩電機(jī)的使用性能有重要意義。

本文從定子齒部結(jié)構(gòu)、氣隙分布和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)等方面對(duì)分體式無刷直流力矩電機(jī)靜摩擦力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究靜摩擦力變化規(guī)律，設(shè)計(jì)一臺(tái)高響應(yīng)速度分體式無刷力矩電機(jī)，并對(duì)其靜摩擦力進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，證明優(yōu)化方法的有效性。

1 機(jī)械摩擦力矩分析

軸承的機(jī)械摩擦力矩與軸承滾珠摩擦系數(shù)、靜載荷和公稱內(nèi)徑成正比，見式(1)，不同軸承類型的摩擦系數(shù)見表1。

(1)

式中：M為機(jī)械摩擦力矩，μ為軸承的摩擦系數(shù)，P為軸承的負(fù)荷，d為軸承的公稱內(nèi)徑。

表1 各類軸承的摩擦系數(shù)μ

2 靜摩擦力矩的優(yōu)化分析

本文以一臺(tái)12槽8極分體式無刷力矩電機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其靜摩擦力矩進(jìn)行優(yōu)化分析。電機(jī)的主要參數(shù)見表2，通過在Ansoft maxwell有限元軟件中建立的電磁仿真模型，并加密氣隙部分的網(wǎng)格，如圖1所示。

表2 無刷力矩電機(jī)的主要參數(shù)

圖1 有限元模型和網(wǎng)格劃分

電機(jī)的靜摩擦力矩優(yōu)化分為兩個(gè)部分，齒槽轉(zhuǎn)矩和機(jī)械摩擦轉(zhuǎn)矩。對(duì)于無刷力矩電機(jī)，齒槽轉(zhuǎn)矩不僅影響了電機(jī)靜摩擦力矩大小，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也有影響。接下來分別針對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩和機(jī)械摩擦轉(zhuǎn)矩進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 齒槽轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化

影響無刷力矩電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的主要參數(shù)有槽口寬、極弧系數(shù)、極弧偏心距，其結(jié)構(gòu)尺寸示意圖如圖2所示。

圖2 槽口寬、極弧偏心距示意圖

1)槽口寬度b的優(yōu)化

初選槽口寬度為1.2 mm，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩曲線如圖3所示。齒槽轉(zhuǎn)矩幅值約為10 mN·m，槽口寬度從0.5 mm到1.5 mm范圍進(jìn)行參數(shù)化分析，仿真得到不同槽口寬度的齒槽轉(zhuǎn)矩曲線如圖4所示，齒槽轉(zhuǎn)矩的最大值隨槽口寬的變化曲線如圖5所示。

圖3 槽寬為1.2 mm時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩曲線

圖4 不同槽口寬的齒槽轉(zhuǎn)矩曲線

從計(jì)算結(jié)果可以看出，齒槽轉(zhuǎn)矩不是隨槽口減小而減小，存在最佳槽口寬度。當(dāng)寬度為0.9 mm時(shí)，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩最小，齒槽轉(zhuǎn)矩降低了43.3%。當(dāng)槽口過大時(shí)，磁導(dǎo)諧波對(duì)磁場影響較大，導(dǎo)致齒槽轉(zhuǎn)矩增大。當(dāng)槽口持續(xù)減小時(shí)，電機(jī)齒間處飽和嚴(yán)重漏磁較大，影響了氣隙磁密的正弦性，齒槽轉(zhuǎn)矩增加。

圖5 不同槽口寬時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩的最大值曲線

2)極弧系數(shù)的優(yōu)化

極弧系數(shù)從0.6到1進(jìn)行參數(shù)化分析，不同極弧系數(shù)的齒槽轉(zhuǎn)矩曲線如圖6所示，齒槽轉(zhuǎn)矩的最大值隨極弧系數(shù)的變化曲線如圖7所示。

圖6 不同極弧系數(shù)的齒槽轉(zhuǎn)矩曲線

圖7 不同極弧系數(shù)時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩的最大值曲線

由計(jì)算結(jié)果可以看出，極弧系數(shù)對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩影響較大。當(dāng)極弧系數(shù)與電機(jī)參數(shù)匹配合適時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)顯著降低，齒槽轉(zhuǎn)矩降低了90%。從漏磁角度分析，當(dāng)極弧系數(shù)持續(xù)增大時(shí)，極間漏磁增大，氣隙中的磁場空間諧波增大，齒槽轉(zhuǎn)矩增加。

3)極弧偏心距的優(yōu)化

分別取極弧偏心距為0、3 mm、6 mm，不同極弧偏心距時(shí)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩曲線如圖8所示。

隨著極弧偏心距的增大，齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值減小。

圖8 極弧偏心距降低齒槽轉(zhuǎn)矩的效果

當(dāng)極弧偏心距增大到一定值后，齒槽轉(zhuǎn)矩的削弱效果將變小。但極弧偏心距過大，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩下降，因此極弧偏心距的取值應(yīng)選擇相對(duì)有效的取值范圍。

4)齒冠開槽設(shè)計(jì)優(yōu)化

圖9 定子齒冠開輔助槽結(jié)構(gòu)

根據(jù)文獻(xiàn)[6]中齒冠開槽的設(shè)計(jì)方法，電機(jī)每極每相槽數(shù)q為1/2，因此電機(jī)的最小開槽數(shù)為2。將開槽的槽數(shù)分別設(shè)計(jì)為2槽，其結(jié)構(gòu)如圖9所示，通過仿真計(jì)算，得到其齒槽轉(zhuǎn)距，如圖10所示，開槽后齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值下降了50%，可見齒冠開槽設(shè)計(jì)對(duì)降低齒槽轉(zhuǎn)矩具有明顯的改善效果。

圖10 齒冠開輔助槽降低齒槽轉(zhuǎn)矩的效果

2.2 機(jī)械摩擦力矩優(yōu)化

通過優(yōu)化，轉(zhuǎn)子軸的去重尺寸可增大至φ30，轉(zhuǎn)子去重前后的結(jié)構(gòu)如圖11所示，外徑選用規(guī)格為15×32×9的深溝球軸承，對(duì)去重前后軸承的負(fù)荷及靜摩擦力矩進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3，機(jī)械摩擦力矩降低了63.1%。

圖11 轉(zhuǎn)子軸去重前后結(jié)構(gòu)

表3 機(jī)械靜摩擦力矩的優(yōu)化結(jié)果

3 試驗(yàn)方案及驗(yàn)證

根據(jù)上述優(yōu)化槽口寬度、極弧系數(shù)、極弧偏心距和轉(zhuǎn)子軸中空設(shè)計(jì)等四種組合措施，對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行優(yōu)化改善。一臺(tái)26極24槽的分體式無刷直流力矩電機(jī)，主要電磁參數(shù)見表4，電機(jī)實(shí)物圖如圖12。

表4 樣機(jī)的主要參數(shù)

表5 軸承的機(jī)械靜摩擦力矩

圖12 樣機(jī)實(shí)物圖

圖13 靜摩擦力矩試驗(yàn)圖

電機(jī)在不通電的狀態(tài)下，軸伸端安裝力矩桿，試驗(yàn)安裝示意圖如圖13所示，用吊砝碼的方法在力矩桿的正反方向緩慢增加負(fù)載轉(zhuǎn)矩，分別測(cè)取力矩桿開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩，讀取力矩桿壓在稱上的重量m，進(jìn)而計(jì)算出靜摩擦力矩T。

T=mgl

(2)

式中：T為靜摩擦力矩；m為砝碼的重量，l為力矩桿的長度的一半；g為重力加速度。

優(yōu)化前后的齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)比如圖14所示，優(yōu)化前齒槽轉(zhuǎn)矩的最大幅值為0.265 mN·m。

圖14 優(yōu)化前后的齒槽轉(zhuǎn)矩曲線對(duì)比圖

優(yōu)化后齒槽轉(zhuǎn)矩的最大幅值為0.053 mN·m，降低了近80%。選取15×42×13的深溝球軸承作為樣機(jī)的軸承，其機(jī)械摩擦力矩為0.011 mN·m，電機(jī)的靜摩擦力矩為0.276 mN·m。證明了優(yōu)化的措施的有效性。

4 結(jié)語

對(duì)分體式無刷力矩電機(jī)靜摩擦力矩的優(yōu)化方法進(jìn)行研究，提出降低分體式無刷力矩電機(jī)靜摩擦力矩的措施。通過對(duì)電機(jī)的定子齒部結(jié)構(gòu)、氣隙磁場分布及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)律性計(jì)算，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。優(yōu)化后電機(jī)靜摩擦力矩降低了約80%。為同類電機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。