管道檢測機器人用永磁同步電動機設(shè)計

余菊峰

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

由于受到自然因素及各種自身原因的影響，各類輸氣、輸油及輸水管道在經(jīng)過長期使用之后，經(jīng)常會出現(xiàn)管道破裂或堵塞，導(dǎo)致輸送介質(zhì)泄漏或輸送效率降低，有時甚至引起爆炸、火災(zāi)等惡性事故。為加強城市燃氣管網(wǎng)安全生產(chǎn)與管理、保障城市能源供應(yīng)與使用安全，必須對管道進行定期檢查[1]，新型管道檢測機器人可以代替人類進入到復(fù)雜多變的管道環(huán)境中,并通過自身攜帶的檢測或疏通裝置對管道進行檢測及維護工作,確保管道有效安全的工作。管道機器人機械本體對系統(tǒng)實現(xiàn)目標功能具有重要影響作用,直接影響管道機器人的控制特性[2]。

本文介紹的永磁同步電動機主要用于管道檢測機器人中的自主運動系統(tǒng)，是系統(tǒng)中的主要驅(qū)動動力元件。此電動機具有體積緊湊、可靠性好、耐溫性能強、功率密度高等特點，在各種管道檢測系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用價值。

1 基本結(jié)構(gòu)和原理

首先結(jié)合管道檢測機器人使用環(huán)境的要求，采用有限元分析軟件分析不同極槽配合形式的電機運行特性，同時優(yōu)化電機磁鋼形狀，降低電機電磁轉(zhuǎn)矩變化，有效提高永磁同步電動機的效率及可靠性。電機控制系統(tǒng)采用無位置傳感器的驅(qū)動控制方式，確保電機裝置的可靠運行。

1.1 電機基本結(jié)構(gòu)

管道檢測機器人用永磁同步電動機的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 永磁同步電動機結(jié)構(gòu)簡圖

電機采用徑向磁路結(jié)構(gòu)，整體外形為管狀細長結(jié)構(gòu)，電機內(nèi)部腔體充油，通過油進行熱量傳遞，確保整個電機溫度平衡。轉(zhuǎn)軸作為減速器的第一級，經(jīng)過高變比減速器與外部爬行裝置相連，通過控制電機的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)機器人的管道內(nèi)行走。

1.2 主要工作原理

本電機為徑向磁路永磁同步電動機，電機三相繞組依次鑲嵌在定子鐵心的槽中，轉(zhuǎn)子采用稀土永磁材料進行勵磁。電機采用的控制方式為無位置傳感器驅(qū)動模式，通過檢測繞組電壓過零點來判斷轉(zhuǎn)子的相對位置。上位驅(qū)動器根據(jù)檢測到的轉(zhuǎn)子位置改變定子電樞線圈中的電流方向，確保轉(zhuǎn)子氣隙磁通與定子電流產(chǎn)生的磁場總是保持正交，使得輸出轉(zhuǎn)矩始終最大。

2 設(shè)計內(nèi)容

針對管道檢測機器人爬行系統(tǒng)對永磁同步電動機的要求，本文有如下幾個方面的設(shè)計內(nèi)容：

2.1 低脈動電機電磁設(shè)計及仿真技術(shù)

本文電機的運行轉(zhuǎn)速在8 000 r/min,并通過兩級減速器減速后輸出。針對這一運行要求，本電機設(shè)計采用6齒2極的整數(shù)槽形式，具有較高的繞組系數(shù)，定子為分布繞組，具有較高的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，并有效地減小電機繞組端部長度，降低銅耗，從而提高電機效率；采用兩極轉(zhuǎn)子可以有效降低運行頻率，減少電機的定子損耗。本文對電機定子沖片的齒部與軛部進行合理設(shè)計，使得額定運行時定子鐵心各部分磁密值適當，這樣可以有效減少鐵耗，并在保證定子各部分磁密選取適當?shù)臈l件下增加定子槽的面積，可以有效降低定子繞組電阻值，最終實現(xiàn)降低電機銅耗的目的[4]。同時對電機轉(zhuǎn)子磁鋼形狀及磁鋼跨距角度(轉(zhuǎn)子磁鋼最終跨距角度確定為120°)進行多方案對比分析，優(yōu)化氣隙磁密分布，減少氣隙磁密中高次諧波含量，最終有效降低電機齒槽轉(zhuǎn)矩。圖2為電機磁路分布圖，圖3為電機額定運行時的磁密分布圖仿真結(jié)果，從圖3中可以看出，電機定子齒部與軛部的磁密值均選取合適。同時計算出管道檢測機器人額定運行條件下電機的齒槽轉(zhuǎn)矩波形如圖4所示，反電勢波形如圖5所示。

圖2 電機磁路分布圖

圖3 磁密分布圖

圖4 電機齒槽轉(zhuǎn)矩圖

圖5 電機線反電勢波形

圖6為電機在加載運行時的磁密分布圖，圖7為電機加載時的輸出轉(zhuǎn)矩波形。可以看出，定轉(zhuǎn)子各部分磁密在加載條件下并未飽和，確保電機在加載條件下輸出轉(zhuǎn)矩滿足使用要求。從圖8中可以看出，通過優(yōu)化設(shè)計后，電機的齒槽轉(zhuǎn)矩下降明顯，可以有效降低電機運行時的轉(zhuǎn)矩波動，提高運行控制精度。

圖6 加載時磁密分布圖

圖7 加載時轉(zhuǎn)矩輸出圖

(a) 優(yōu)化前

(b) 優(yōu)化后

2.2 耐高溫環(huán)境設(shè)計技術(shù)

針對管道檢測機器人實際運行環(huán)境的要求，運行時環(huán)境溫度最高能達到180 ℃，再加上電機運行時產(chǎn)生的熱量，普通電機無法達到這種要求，因此在電機設(shè)計及材料選擇上要進行詳細的考慮。

2.2.1 提高整體效率，減小自身發(fā)熱

1) 采用6齒2極的齒槽結(jié)構(gòu)設(shè)計，定子為分布繞組，轉(zhuǎn)矩系數(shù)較高，同時有效減小電機繞組端部長度來降低銅損，從而提高電機效率。

2) 針對電機運行轉(zhuǎn)速較高的特點，采用兩極設(shè)計形式，有效降低電機運行頻率，減少電機定子鐵損；采用厚度0.1 mm高導(dǎo)磁性能低鐵耗系數(shù)的硅鋼片，作為定子鐵心的材料，進一步降低定子鐵耗。

3) 轉(zhuǎn)子磁鋼采用斜極并優(yōu)化設(shè)計磁鋼外形及跨距角度，有效降低高次諧波產(chǎn)生的損耗。

2.2.2 提高自身散熱及抗熱能力，確保電機穩(wěn)定運行

1) 電機采用封閉式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部填充變壓器油，通過變壓器油作為導(dǎo)熱介質(zhì)，將定子產(chǎn)生的熱量均勻傳遞到電機各部分，避免因局部溫度過高導(dǎo)致電機失效。

2) 電機轉(zhuǎn)子磁鋼采用稀土釤鈷永磁材料，耐溫可達300 ℃；定子線圈采用聚酰亞胺漆包線，耐溫可達250 ℃，以滿足電機在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運行。

3 測試結(jié)果

根據(jù)技術(shù)要求，對永磁同步電動機進行了技術(shù)參數(shù)測試。電動機輸入電壓為500 V(DC)，額定轉(zhuǎn)速為8 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為0.5 N·m，其反電動勢測試波形如圖9所示,測試結(jié)果與仿真結(jié)果相比較基本吻合。氣隙磁通測試波形如圖10所示，波形較好，與仿真基本接近。

圖9 反電勢測試波形圖

圖10 氣隙磁通測試波形圖

電機空載運行時輸入電壓511 V，電流0.24 A，電機轉(zhuǎn)速8 600 r/min。電機及控制器與機器人整體裝配良好，電機帶20∶1減速器及其它執(zhí)行機構(gòu)，機器人懸空測試，輸入電壓467 V，電流0.61 A。隨后進行機器人帶載實驗，機器人在空心管道中爬行，經(jīng)過滑輪拖動80 kg重物測試。此時輸入電壓430 V，電流1.2 A(見圖11)，機器人爬行正常。同時對永磁同步電動機隨機器人系統(tǒng)實際進行了高溫測試，系統(tǒng)運行溫度為180 ℃，在此運行條件下整個系統(tǒng)正常工作。

圖11 額定運行相電流波形

4 結(jié) 語

本文采用細長管狀結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效減小了永磁同步驅(qū)動系統(tǒng)的體積，使得系統(tǒng)的整體質(zhì)量得到有效控制；通過仿真進行了優(yōu)化設(shè)計，降低了電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩，并提高了電機的運行效率；采用耐高溫設(shè)計技術(shù)，使系統(tǒng)可以在超高溫條件下穩(wěn)定運行。