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

于帅涛

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：Bδ１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：δｅ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，μｒ为永磁体回复磁导率，ＢｒＢδ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，验证了方案的可行性。本文设计方案已经应用在某工业机器人用电机中。

参考文献：

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［2］唐任远．现代电机理论与设计［M］．北京：机械工业出版社，2017．

［3］陈贤阳，黄开胜，明国锋，等．风机用外转子永磁无刷直流电动机的优化分析［J］．微特电机，2016．