基于ANSYS的電動關(guān)節(jié)一體化永磁電機性能分析

宋劍橋，王洪武，張東寧，駱 苗

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

電動關(guān)節(jié)一體化電機通常安裝在機械臂或生產(chǎn)流水線，通過多個關(guān)節(jié)電機的聯(lián)動控制完成機器人的多軸聯(lián)動。一體化電動關(guān)節(jié)是將諧波減速器、制動器、永磁電機、磁編碼器及控制器等多個組件集成在一個空間里，如圖1所示，在同樣性能下體積和質(zhì)量較傳統(tǒng)伺服電機低很多，電動關(guān)節(jié)一體化電機大大降低了傳統(tǒng)機器人關(guān)節(jié)的制造成本。永磁電機作為電動關(guān)節(jié)的核心部件，是影響電動關(guān)節(jié)性能的關(guān)鍵因素之一。

圖1 電動關(guān)節(jié)一體化電機結(jié)構(gòu)示意圖

永磁同步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、轉(zhuǎn)矩密度大、電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著特點，特別適合在機器人關(guān)節(jié)等對電機功率密度要求較高的領(lǐng)域使用。電動關(guān)節(jié)電機不但要求電機具有較高的功質(zhì)比，還要求電機運行平穩(wěn)，減小系統(tǒng)的振動和波動。本文研究的永磁電機采用正弦波驅(qū)動，為了降低質(zhì)量，使用高性能的絕對式編碼器代替質(zhì)量較大的旋轉(zhuǎn)變壓器。基于Ansoft軟件采用有限元方法對一臺10極12槽的三相永磁電機進行分析，對模型的定轉(zhuǎn)子磁場、氣隙磁場、磁力線分布情況、齒槽轉(zhuǎn)矩的波動情況以及輸出轉(zhuǎn)矩的大小進行仿真，并在此基礎(chǔ)上制造出了樣機，完成了測試實驗，驗證了ANSYS/Maxwell計算的準(zhǔn)確性。

1 永磁電機參數(shù)的確定

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

本方案的永磁電動機額定功率PN=260 W，額定轉(zhuǎn)速nN=3 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩TN=0.8 N·m，最大轉(zhuǎn)矩Tmax=1.15 N·m(短時)。

1.2 主要尺寸的確定

在永磁無刷電動機的設(shè)計過程中，首先考慮的主要尺寸是電機的定子鐵心外徑Dil以及鐵心長度L。本文中電機外徑受關(guān)節(jié)組件尺寸限制，定子鐵心外徑Dil定為90 mm。且關(guān)節(jié)電機通常多個串聯(lián)使用，轉(zhuǎn)軸需設(shè)計成空心結(jié)構(gòu)，以方便內(nèi)部走線，電機為扁平中空結(jié)構(gòu)。根據(jù)電動機主要尺寸關(guān)系可知：

式中：nN為電機額定轉(zhuǎn)速；P為電機計算功率；αi為磁鋼極弧系數(shù)；Kφ為氣隙磁場波形系數(shù)；Kw為基波繞組系數(shù)，本文為了使電機空間更加緊湊，采用繞組端部緊湊的集中繞組結(jié)構(gòu)；A為定子線圈銅線電負(fù)荷；Bδ為電機氣隙磁密平均值，主要由永磁體材料決定；通過計算，電機鐵心長度L取15 mm。

1.3 磁性材料的選擇

目前，永磁電動機的磁性材料主要使用鐵氧體和釹鐵硼材料。鐵氧體材料雖然成本相對較低，但鐵氧體的磁能積平方根只有釹鐵硼的三分之一，磁負(fù)荷較低，需要通過增加磁鋼的使用量來增大氣隙磁通。在電機設(shè)計中，采用鐵氧體的電機磁鋼用量較多，電機質(zhì)量較大。考慮到本有質(zhì)量要求，同時考慮到電機高溫下工作的穩(wěn)定性，采用高性能、耐高溫的N42UH釹鐵硼磁鋼。

電機的定、轉(zhuǎn)子沖片的導(dǎo)磁材料有很多，包括硅鋼、各種磁粉心以及非晶材料等。但是綜合考慮性能、價格、加工特性等各方面因素，目前還是采用最為廣泛的傳統(tǒng)硅鋼材料作為電機導(dǎo)磁材料。本文為了增加電機的功質(zhì)比，選擇高導(dǎo)磁性能的鐵鈷釩軟磁合金材料1J22為沖片材料，1J22具有高飽和的磁感應(yīng)強度，高飽和的磁滯伸縮系數(shù)，高居里溫度的特點。

1.4 磁鋼結(jié)構(gòu)的選擇

永磁電動機的磁鋼安裝結(jié)構(gòu)可以分為內(nèi)置式和表貼式，如圖2所示。內(nèi)置式磁鋼安裝在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，要求鐵心徑向尺寸較寬，通常應(yīng)用在高速電機。本文的電機轉(zhuǎn)速要求不高，且轉(zhuǎn)子中間要求留有空間走線，因此，選擇鐵心徑向要求不高的表貼式磁鋼結(jié)構(gòu)。

(a) 內(nèi)置式

(b) 表貼式

2 基于ANSYS/Maxwell的永磁電機設(shè)計

2.1 基本有限元分析的方程磁場

永磁電機的電磁場有限元分析基本理論是從麥克斯韋方程組得出的，麥克斯韋方程組的基本微分形式表示如下：

2.2 二維建模

永磁電機的主要參數(shù)如表1所示。采用有限元仿真，步驟如下：首先使用CAD軟件繪制好電機的定轉(zhuǎn)子沖片、磁鋼圖形；然后將圖形導(dǎo)入ANSYS/Maxwell模塊中建立二維有限元模型如圖2所示；再通過定義定轉(zhuǎn)子、磁鋼等各零部件材料屬性和增加激勵源及邊界條件；接下來通過合理的設(shè)置剖分計算步長、求解時間及運動邊界條件完成求解；最后通過多參數(shù)掃描對比，找出最優(yōu)電機設(shè)計方案。

表1 電機主要參數(shù)表

圖3 電機二維模型

由于軟件自動剖分的計算精度不是很高，為了提高計算的準(zhǔn)確度與精度，需要在自動剖分的基礎(chǔ)上進行手動剖分，對氣隙、沖片尖角等位置進行網(wǎng)格加密處理。手動剖分后的模型圖如圖4所示。

圖4 電機剖分圖

3 永磁電機有限元仿真結(jié)果分析

3.1 磁場分布

ANSYS/Maxwell瞬態(tài)場計算可模擬電機動態(tài)的運行過程，仿真分析電機各個時間點的磁場分布情況。從圖5、圖6中可以看出，電機的主磁場分布均勻，僅在電機槽口處有局部磁密相對較高，為極間漏磁產(chǎn)生。通過對電機齒部磁密分析，如圖7所示，電機空載尺寸磁密最高為1.82 T，并沒有達到1J22材料磁飽和區(qū)間，說明電機尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

圖5 電機的磁力線分布圖

圖7 電機齒部的磁密分布情況

3.2 電機空載反電動勢波形

電機的氣隙波形和空載反電動勢波形如圖8、圖9所示。為了減小電機運行中的振動，需對電機氣隙磁場進行優(yōu)化，本文分別通過對電機的極弧系數(shù)、定子槽開口尺寸以及采用面包形磁鋼的不等氣隙多參數(shù)進行優(yōu)化分析，通過對氣隙磁場的優(yōu)化，使氣隙磁場磁密波形正弦化，從而得到接近正弦波的感應(yīng)電動勢波形，降低電機的輸出轉(zhuǎn)矩脈動。

圖8 電機氣隙磁密

圖9 電機空載反電動勢

3.3 齒槽轉(zhuǎn)矩

永磁電機線圈不通電流時磁鋼和有槽定子鐵心之間互相作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為齒槽轉(zhuǎn)矩，是由磁鋼產(chǎn)生的磁場與線圈齒之間相互作用的切向分量引起的。齒槽轉(zhuǎn)矩的波動會使電機產(chǎn)生振動和噪聲，影響系統(tǒng)控制的精度。為了降低齒槽轉(zhuǎn)矩，采用斜槽的方法，但采用斜槽的同時也會降低電機磁場基波的幅值，影響電機性能。本文通過對斜槽角度的優(yōu)化及電機性能的綜合考慮，最終采用將電機定子齒斜半個齒距的方法，減小了齒槽轉(zhuǎn)矩，優(yōu)化前后的齒槽轉(zhuǎn)矩對比如圖10所示，通過斜槽，電機的齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值從優(yōu)化前的3.3 mN·m降低至優(yōu)化后的2.2 mN·m,齒槽轉(zhuǎn)矩波動降低了32%。

圖10 優(yōu)化前后的齒槽轉(zhuǎn)矩對比

3.4 輸出轉(zhuǎn)矩

電機在施加13 A電流有效值時，電動機在額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min下電磁轉(zhuǎn)矩曲線如圖11所示。通過斜槽及相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化，扭矩波動計算值小于2%,電機輸出扭矩運行平穩(wěn)，其輸出轉(zhuǎn)矩平均值為0.81 N·m。

圖11 電機的輸出轉(zhuǎn)矩波形

4 樣機實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比

通過使用測功機對樣機進行測試，制作的樣機如圖12所示。

圖12 制作的電機和驅(qū)動器樣機

給驅(qū)動器施加24 V直流電源，把電機速度調(diào)整到2 000 r/min，逐漸增加負(fù)載轉(zhuǎn)矩至額定值，電機性能實測值和ANSYS仿真值對比如表2所示。

表2 電機性能實測值與仿真值數(shù)據(jù)對比

5 結(jié) 語

本文對電動關(guān)節(jié)用永磁電機特性進行了仿真研究，利用ANSYS/Maxwell軟件建立了電機的有限元模型，并對電機的反電動勢、氣隙磁密、齒槽轉(zhuǎn)矩及輸出力矩等特性進行了分析。最后結(jié)合樣機具體測試數(shù)據(jù)比較，進一步驗證了該設(shè)計手段的合理性，對后續(xù)該類電機的設(shè)計具有一定的理論參考價值。