工业机器人用永磁同步电机设计

工业机器人用永磁同步电机设计摘要：伴随着我国现代化的飞速发展，国内的先进科学技术也随之逐渐增强。机器人用永磁同步电机要求具有高转矩倍数、高效率和低转矩脉动等特性。通过分析电机的技术要求，确定了该电机的基本尺寸参数。用有限元分析软件对电机进行分析和仿真。对常用的永磁电机的槽极配合进行分析，选择最佳的槽极配合。采用不等厚永磁体结构，对电机的齿槽转矩进行优化。设计了大小圈绕组结构，有效地提高了电机的效率。为工业机器人用永磁同步电机的设计和改进提供了一种设计的方法。关键词：工业机器人；永磁同步电机；设计引言永磁同步电机采用永磁体为励磁，大大减轻了电机的体积和质量，在工业机器人上有很好的应用空间。而工业机器人同样也给永磁同步电机提出了更严苛的要求。本文针对的是面向机床自动化生产的机器人用电机，要求电机过载倍数要有3.3倍，电机效率也要求较高；同时电机的转矩脉动也要保持在较小的水平。1永磁同步电机概述1.1永磁同步电机众所周知，电机是将电能转化为机械能的设备，但这种能量的转换需要建立磁场，异步电机建立磁场的能量需从电网吸取，需励磁电流、励磁绕组，而永磁电机由永磁材料产生磁场，无需励磁电流，这就是永磁电机。1.2永磁同步电机优点转速恒定。转速与电机频率保持恒定，为同步转速，可简化空载系统。功率因数高。通过合理设计能达到极限值1.0。效率高。正常运转时，转子无绕组铜耗；高功率因数，可使定子电流较小，定子绕组铜耗小。起动力矩大。温升低。1.3永磁同步电机节电的机理定子铜耗变化原因是定子电流减少，I2R减少；转子铜耗的变化原因是永磁电机同步运转，无滑差；定子铁耗的变化原因是永磁电机采用了低损耗矽钢片；转子铁耗的变化原因是永磁电机同步运转，无滑差；励磁铜耗的变化原因是励磁动率电磁钢提供；杂散损耗的变化原因是永磁电机单边气隙大；风摩损耗的变化原因是永磁电机温升低，可使用节能风扇。由于永磁同步电机各种损耗的明显减少，导致永磁同步电机效率的提高，因此永磁同步电机相对于异步电机实实在在地在节能。1.4永磁同步电机与异步电机能效等级的对比永磁同步电机可达到一级能耗，异步电机最多可达到二级能耗，一般为三级或四级能耗。1.5异步电机和永磁同步电机可能达到的能效等级异步电机能达到能效二级，欲达到能效一级就十分困难；而永磁同步电机能达到能效一级（IE4）。经过努力，采取必要的技术措施，永磁同步电机能效限定值达到IE5也是有可能的，所以永磁同步电机将成为我国电机行业节能减排、能效提升的龙头产品，应用将越来越广泛。1.6永磁同步电机的上游技术业已成熟我国稀土资源丰富，稀土矿的储量占世界储量的80%，居世界首位。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平，实现了产业化充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种节能电机，将资源优势转化为经济优势，具备了前提性条件和基础。2工业机器人用永磁同步电机的设计2.1电机尺寸的选择电机的主要尺寸可由所需要的最大转矩和动态响应指标确定。永磁同步电机的最大转矩、电磁负荷和主要尺寸满足下面的关系：式中：B61为气隙磁密基波幅值；Lef为电机的铁心长度；A为电机的电负荷。由于面向机床自动化生产的机器人机械手臂关节的限制，电机的外径和长度只能在较小的范围内选择。参照相同功率永磁电机的外径，最终电机选择了定子外径为123mm，铁心长度为55mm。由上可知，随着电机气隙磁密的增大，只需要较小的电负荷就能满足电机最大转矩的要求，所以本文选用了高性能钕铁硼永磁体材料，其气隙磁密最高达0.85T，电负荷取180A/cm。2.2槽极配合的选择本文从市面上成熟的常用永磁电机的槽极配合入手，选择10种不同的槽极配合，即9/6，18/6，36/6，12/8，18/8，24/8，36/8，48/8，12/10，15/10，分析比较筛选出最合适的槽极配合。已有学者研究了不同的槽极配合的磁动势谐波不一样。而气隙磁密谐波含量的增加会使电机的性能变坏，直接影响电机的振动和电机的噪声。永磁电机的特殊结构会引起电机固有的齿槽转矩，会使电机的转矩波动增大。但这是无法消除的，只能最大程度地削弱。齿槽转矩的变化是有规律的，在一个齿距的范围内，定子和转子相对位置的变化周期主要受电机的极数和槽数影响。合理地选择极数和槽数组合，能使电机在一个齿距内齿槽转矩的变化周期数增大，这样就可以明显地减小电机齿槽转矩。电机的一个齿距周期变化范围内的周期数越大，电机的齿槽转矩就越小。2.3转子磁路结构的选择永磁体在电机转子内部的称为内置式，永磁体在转子外部的称为表贴式。内置式的永磁体嵌在转子铁心中，加工难度较大；而且电机绕组端部的漏磁系数较大，需要特别的隔磁处理，但永磁体结构牢固，适合应用在转速较高的电机之中。表贴式的永磁体结构较为简单，易进行于对形状要求更高的加工，易于实现电机气隙磁场的优化设计。本文采用表贴式的永磁体转子结构。采用表面凸式的转子磁路，其永磁体的制造和电机的装配较为简单，能有效地减小电机的成本，电机的转动惯量也相对较小。而且通过磁极的合理优化设计，气隙磁场的波形更接近正弦波。本文通过不等厚永磁体的结构优化电机，减小电机的齿槽转矩。影响电机永磁体尺寸的主要因素有：永磁体轴向长度LM；永磁体磁化方向长度hM；永磁体宽度bM。通常确定永磁电机的永磁体轴向长度要结合电机转子和铁心参数，一般可取与电机的铁心长度作为参考，故只需要确定永磁的磁化方向长度和宽度。式中：6e为电动机的计算气隙长度，在初步计算中可以大致选值。根据设计经验，永磁同步电机的气隙长度一般比相同参数的异步电机大20%-30%。本文初步取气隙长度为1.5mm，^r为永磁体回复磁导率，BrB6一般取1.2~1.35。通过上述分析，初步确定电机永磁体磁化方向的长度hM为3.6mm和宽度bM为26mm。2.4绕组的选择永磁同步电机采用永磁体作为励磁，与传统的绕组励磁方式相比，气隙磁场的谐波含量较高，反电动势中也含有较高的谐波含量。在绕组的选择上考虑采用Y型双层短距绕组的形式，这样可以避免绕组中环流的产生。本文已经证明采用36/8槽极配合能够使电机有较小的齿槽转矩，能有效地改善反电动势的波形，电机也可以有更好的电磁性能和运行的经济性。为了提高电机的效率，在此基础之上做进一步的改进：把绕组分为大小圈，大圈节距为Y1=4，小圈节距为Y2=3。通过对绕组绕线方式改进，两种绕组的等效导体数保持不变。采用大小圈的绕线方式，可以减小电机绕组端部的长度，从而减小电机定子绕组的铜损，提高电机效率。结语结合工业机器人对电机大转矩高效率，削弱永磁电机固有齿槽转矩2方面的要求，本文给出了一个永磁电机的设计方案。从理论出发给出电机的基本尺寸，分析对比了常用的槽极配合，从削弱电机齿槽转矩的角度出发，选出了电机的最佳槽极配合。从转子结构的优化角度出发，采用不等厚永磁体的设计，进一步减小电机的齿槽转矩，实现较小的电机转矩脉动。设计了新型的电机绕组，采用不同节距的大小圈方式，减小了电机的铜损，提高了电机的效率。设计方案在进行仿真后，进行了样机的制造和性能实验。实验结果和仿真数据基本一致，验证