工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的永磁直流力矩電機(jī)設(shè)計(jì)

張飛陽,閆 鑫,陳幫軍,李華鋒

(黃河科技學(xué)院，河南 鄭州 450000)

0 引言

永磁直流力矩電機(jī)作為直流電機(jī)的一種，是近年來隨著永磁技術(shù)的不斷成熟而發(fā)展起來的一種新型直流電機(jī)。在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，許多自動(dòng)控制系統(tǒng)所控制的對(duì)象設(shè)備，如關(guān)節(jié)型機(jī)器人等，其工作時(shí)轉(zhuǎn)速往往是相對(duì)較低的。這種情況下使用高速電機(jī)需要在整個(gè)機(jī)構(gòu)中加裝行星減速器，以此達(dá)到降低輸出轉(zhuǎn)速的目的。如此一來就大大增加了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，增加產(chǎn)品的體積與重量，對(duì)于有嚴(yán)格重量要求的設(shè)備加大了設(shè)計(jì)的難度。同時(shí)因?yàn)榧尤肓藴p速器，齒輪傳動(dòng)進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的精度與傳動(dòng)效率，放大機(jī)構(gòu)工作的噪聲，帶來一系列負(fù)面的因素，在如今激烈的市場(chǎng)環(huán)境下，產(chǎn)品便失去了其核心的競(jìng)爭(zhēng)力。

如果改變?cè)O(shè)計(jì)思路選用永磁直流力矩電機(jī)，便可規(guī)避上述的負(fù)面因素。因?yàn)橛来胖绷髁仉姍C(jī)有著轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)的機(jī)械特性，同時(shí)又響應(yīng)速度快、力矩波動(dòng)小，所以非常符合一些工業(yè)機(jī)器人的工作需要，是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中的一種重要的機(jī)電元件[1]。不僅如此在機(jī)器人系統(tǒng)中電機(jī)直接與驅(qū)動(dòng)對(duì)象連接，具有較高的耦合度，能夠較好地減少軸系震蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。為此我們特別設(shè)計(jì)了一種用于工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)處的低速大扭矩永磁直流力矩電機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工難度低，體積小，質(zhì)量輕，卻又能滿足性能指標(biāo)，符合設(shè)備相應(yīng)工況下的工作需要。

1 設(shè)計(jì)原理與結(jié)構(gòu)組成

對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)根據(jù)所需要的技術(shù)指標(biāo)，選擇合理的電樞繞組和電子換向線路的組合方式。其次是進(jìn)行電路和磁路系統(tǒng)設(shè)計(jì)：一方面在確定的技術(shù)指標(biāo)下，盡可能地設(shè)計(jì)出重量輕、尺寸小、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好的電機(jī)；另一方面，適當(dāng)選擇電磁參數(shù)，以保證電機(jī)的運(yùn)行特性滿足使用要求。

電動(dòng)機(jī)本體主要包括主轉(zhuǎn)子和主定子。二者必須滿足電磁方面的要求，保證在工作氣隙中產(chǎn)生足夠的磁通。電樞繞組中允許通過一定的電流，以產(chǎn)生特定的電磁轉(zhuǎn)矩。其次，電動(dòng)機(jī)還需滿足機(jī)械方面的要求，保證機(jī)械結(jié)構(gòu)牢固、穩(wěn)定，能傳送所需的轉(zhuǎn)矩，并能經(jīng)受一定環(huán)境條件的考驗(yàn)。此外，還要考慮電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性、結(jié)構(gòu)的工藝性等。

電動(dòng)機(jī)組成如圖1所示，其中包含端蓋、機(jī)殼、定子、轉(zhuǎn)子等。

為了使電機(jī)結(jié)構(gòu)足夠簡(jiǎn)單，電機(jī)機(jī)殼與法蘭盤為一體，其上6個(gè)安裝孔起到同機(jī)器人機(jī)構(gòu)連接與固定的作用，電機(jī)軸心處空置并預(yù)留有鍵槽，能夠與相應(yīng)的轉(zhuǎn)軸適配。安裝電機(jī)時(shí)我們只需使用螺釘把定子部分的機(jī)殼固定于機(jī)器人機(jī)構(gòu)的框架上，將轉(zhuǎn)子與機(jī)器人的軸伸端連接，通過鍵使機(jī)器人機(jī)構(gòu)伸出軸與轉(zhuǎn)子同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，即可通過伺服系統(tǒng)對(duì)電機(jī)下達(dá)控制指令。

從電機(jī)輸出形式的結(jié)構(gòu)來看，該永磁直流力矩電機(jī)并非傳統(tǒng)的伸出軸的類型，而是中空的孔形設(shè)計(jì)。孔的直徑方向開有平鍵槽，用于和機(jī)器人伸出軸連接。當(dāng)設(shè)備的載荷量、傳動(dòng)的力矩較大時(shí)，也可以將平鍵槽改為花鍵結(jié)構(gòu)?；ㄦI設(shè)計(jì)雖較之平鍵加工成本相對(duì)高一些，卻可以大幅度地提升傳動(dòng)的平穩(wěn)性與負(fù)載能力，此處鍵槽類型應(yīng)結(jié)合具體實(shí)際的工況需要選擇相應(yīng)的方式。另外此電機(jī)生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，零部件多成規(guī)則的圓柱結(jié)構(gòu)，加工方便。中心連接孔余量大，可設(shè)置一系列不同孔徑尺寸滿足不同的需要，實(shí)現(xiàn)一次設(shè)計(jì)滿足多種場(chǎng)合的應(yīng)用，讓電機(jī)成為安裝與更換便捷的模塊化產(chǎn)品，大大提升電機(jī)的實(shí)用價(jià)值。

2 電機(jī)設(shè)計(jì)

由于永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)的特殊性，使得準(zhǔn)確設(shè)計(jì)相對(duì)困難。目前大家所采用的電機(jī)設(shè)計(jì)方法主要分為以下三種：圖解磁路計(jì)算法、等效磁路網(wǎng)絡(luò)法和有限元磁場(chǎng)數(shù)值分析法[3]。而通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)采用有限元磁場(chǎng)數(shù)值分析法相比之前兩種方法可以得到更加準(zhǔn)確清晰的數(shù)據(jù)。越是準(zhǔn)確直觀的參數(shù)對(duì)電機(jī)整體性設(shè)計(jì)就越好，可以使電機(jī)的性能更加可靠，減少不必要的冗余，降低成本損耗。

2.1 電機(jī)主要尺寸的確定

在電機(jī)設(shè)計(jì)中，通常根據(jù)公式(1)確定電機(jī)主要尺寸：電樞直徑Da、電樞鐵心長(zhǎng)度l，電機(jī)的其它尺寸(包括磁路尺寸、結(jié)構(gòu)尺寸)和重量、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都依賴于它。

(1)

式中Da為電樞直徑(cm)；lt為電樞鐵芯計(jì)算長(zhǎng)度(cm)；n為轉(zhuǎn)速(r/min)；αi為計(jì)算極弧系數(shù)；kw為繞組系數(shù)；kΦ為磁場(chǎng)波形系數(shù)；A為電負(fù)荷，即線負(fù)荷(A/cm)；Bδ為磁負(fù)荷，即氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度(Gs)；P′為計(jì)算功率(VA)

根據(jù)公式(1)，電機(jī)輸出力矩的大小不僅與電機(jī)的電磁負(fù)荷有關(guān)，還取決于電機(jī)的主要尺寸。設(shè)計(jì)時(shí)在給定的外形尺寸下，盡可能加大電機(jī)的主要尺寸：定子內(nèi)徑及定子鐵芯長(zhǎng)度；同時(shí)選取合適的結(jié)構(gòu)尺寸，使電機(jī)磁鋼工作點(diǎn)盡可能靠近剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度點(diǎn)，以獲取較大的氣隙磁密，從而提高電機(jī)的輸出力矩和效率，使設(shè)計(jì)方案達(dá)到最優(yōu)。

2.2 電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子主要參數(shù)見表1。

表1 電機(jī)定、轉(zhuǎn)子主要參數(shù)

進(jìn)行合理的磁路設(shè)計(jì)，本永磁直流力矩電機(jī)設(shè)計(jì)方案為26極24槽。合適的極槽數(shù)配合使電機(jī)具有合理的磁路工作點(diǎn)，以降低電機(jī)銅損、鐵耗。采取Maxwell 2D有限元模擬仿真和計(jì)算，設(shè)計(jì)時(shí)保證電機(jī)定子沖片齒部和軛部的磁密基本一致，使電機(jī)定子鐵耗分布均勻。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選取合適的氣隙長(zhǎng)度，以削弱電樞反應(yīng)以及齒槽效應(yīng)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響。

電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼采用表貼式結(jié)構(gòu)。電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，為提高電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在磁鋼外加裝一層鋼制護(hù)套，保證電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)牢固可靠。合理選取電機(jī)的極弧系數(shù)，使得電機(jī)每極下的齒數(shù)接近整數(shù)，同時(shí)在氣隙內(nèi)的磁導(dǎo)一致，有效削弱齒槽效應(yīng)。

對(duì)于電機(jī)的磁鋼材料，通過篩選和對(duì)比考慮選用高性能的釤鈷磁鋼，這種磁鋼不僅具有較高的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度、矯頑力和較強(qiáng)的抗去磁能力，同時(shí)具有較低的剩磁溫度系數(shù)(-0.05%)和較高的居里溫度。該材料磁鋼有利于提高電機(jī)性能體積比，增大電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減小時(shí)間常數(shù)，保證磁鋼在起動(dòng)和運(yùn)行過程中不會(huì)發(fā)生不可逆退磁；另外也不會(huì)因?yàn)閮?nèi)部溫度過高，導(dǎo)致磁鋼性能下降，保證電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.3 電磁計(jì)算

利用ANSYS MAXWELL電機(jī)仿真軟件根據(jù)以上分析建立電機(jī)模型，并進(jìn)行尺寸和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。

當(dāng)電機(jī)發(fā)生連續(xù)堵轉(zhuǎn)時(shí)，堵轉(zhuǎn)電流不會(huì)超過1.5A，電機(jī)發(fā)熱情況穩(wěn)定，負(fù)載運(yùn)行比較可靠。圖2中，曲線1為轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速變化曲線，曲線2為功率—轉(zhuǎn)速變化曲線，曲線3為效率—轉(zhuǎn)速變化曲線，統(tǒng)稱為電機(jī)的特性曲線，由圖可以看出轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的升高而降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，電機(jī)扭矩將會(huì)增大以彌補(bǔ)降低的轉(zhuǎn)速，體現(xiàn)出電機(jī)軟的特性。

3 設(shè)計(jì)分析

空載反電勢(shì)波形畸變率是衡量電機(jī)性能的重要指標(biāo)，永磁同步電機(jī)中的空載反電勢(shì)是由空載氣隙磁通在電樞繞組中感應(yīng)產(chǎn)生。但由于永磁同步電機(jī)本身的磁路特點(diǎn)，其氣隙磁場(chǎng)波形并非正弦分布，諧波含量較大，造成空載反電勢(shì)波形畸變率大。通過Ansoft軟件對(duì)電機(jī)有限元分析，采用永磁體偏心距和優(yōu)化極弧系數(shù)的方法降低空載反電勢(shì)波形畸變率，達(dá)到改善電機(jī)反電勢(shì)正弦波形的目的，見圖3。

利用Maxwell2D的瞬態(tài)場(chǎng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行周期反電勢(shì)展開傅里葉級(jí)數(shù)分析，得到反電勢(shì)諧波分析圖，然后將基波和其他高次諧波分析值輸出到Excel表格中，求取平均值的畸變率。根據(jù)公式(2)得出：

(2)

式中v1為基波幅值；Vh為高次諧波幅值

計(jì)算得反電勢(shì)畸變率為0.93%，滿足應(yīng)用需求。

永磁同步電動(dòng)機(jī)齒槽效應(yīng)明顯，使運(yùn)行中產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)較大，在控制精度高的場(chǎng)合，必須減小齒槽轉(zhuǎn)矩。通過優(yōu)化電機(jī)本體，調(diào)整定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)和永磁體組合可以有效降低齒槽轉(zhuǎn)矩。

在定子結(jié)構(gòu)參數(shù)中，選擇合適的齒傾斜角、定子齒寬，以及優(yōu)化永磁體極弧系數(shù)等可以解決齒槽轉(zhuǎn)矩過大的問題，但是容易出現(xiàn)空載反電動(dòng)勢(shì)幅值減小，進(jìn)而引起繞組電流偏大，電機(jī)損耗增加的問題。利用Maxwell2D仿真優(yōu)化齒槽扭矩。如圖4所示，顯示齒槽扭矩為8.57mN·m。

電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)分布的定量確定對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的分析極為重要，我們利用ANSOFT軟件，對(duì)不同磁路結(jié)構(gòu)在空載和不同負(fù)載下的磁場(chǎng)和氣隙磁密分布進(jìn)行有限元分析和比較，并分析了永磁體充磁方向、極弧系數(shù)和氣隙長(zhǎng)度對(duì)磁場(chǎng)分布以及氣隙磁密的影響。分析結(jié)果為我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)合理選擇電磁參數(shù)和最佳磁路結(jié)構(gòu)，提供了理論依據(jù)，見圖5、圖6。

通過仿真計(jì)算我們得出在額定電壓22VDC下，該電機(jī)額定輸出扭矩大于等于3.25N·m，峰值扭矩大于等于4.9N·m，峰值扭矩下轉(zhuǎn)速大于等于270rpm最高轉(zhuǎn)速不超過500rpm，電機(jī)重量小于1700g。完全滿足工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)處使用需要，而且其安裝簡(jiǎn)易，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性較強(qiáng)。同時(shí)其重量輕這一特點(diǎn)，極大地減少了一些對(duì)重量要求較高的設(shè)備的總重。

4 結(jié)語

本文結(jié)合電磁仿真軟件設(shè)計(jì)了一種低轉(zhuǎn)速、大扭矩的永磁直流力矩電機(jī)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間小，能夠很好地應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域，具有較高的實(shí)用價(jià)值與良好的市場(chǎng)前景。