工业机器人用永磁同步电机设计
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
工业机器人用永磁同步电机设计
发表时间:2019-04-24T15:50:16.983Z 来源:《防护工程》2019年第1期作者:于帅涛
[导读] 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。
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: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
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。