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基于ANSYS的電動(dòng)關(guān)節(jié)一體化永磁電機(jī)性能分析

2020-04-28 02:57宋劍橋王洪武張東寧
微特電機(jī) 2020年4期
關(guān)鍵詞:磁鋼磁密齒槽

宋劍橋,王洪武,張東寧,駱 苗

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所,上海 200233)

0 引 言

電動(dòng)關(guān)節(jié)一體化電機(jī)通常安裝在機(jī)械臂或生產(chǎn)流水線,通過多個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制完成機(jī)器人的多軸聯(lián)動(dòng)。一體化電動(dòng)關(guān)節(jié)是將諧波減速器、制動(dòng)器、永磁電機(jī)、磁編碼器及控制器等多個(gè)組件集成在一個(gè)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(jī)低很多,電動(dòng)關(guān)節(jié)一體化電機(jī)大大降低了傳統(tǒng)機(jī)器人關(guān)節(jié)的制造成本。永磁電機(jī)作為電動(dòng)關(guān)節(jié)的核心部件,是影響電動(dòng)關(guān)節(jié)性能的關(guān)鍵因素之一。

圖1 電動(dòng)關(guān)節(jié)一體化電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

永磁同步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、效率高、轉(zhuǎn)矩密度大、電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著特點(diǎn),特別適合在機(jī)器人關(guān)節(jié)等對(duì)電機(jī)功率密度要求較高的領(lǐng)域使用。電動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)不但要求電機(jī)具有較高的功質(zhì)比,還要求電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn),減小系統(tǒng)的振動(dòng)和波動(dòng)。本文研究的永磁電機(jī)采用正弦波驅(qū)動(dòng),為了降低質(zhì)量,使用高性能的絕對(duì)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(duì)一臺(tái)10極12槽的三相永磁電機(jī)進(jìn)行分析,對(duì)模型的定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)、氣隙磁場(chǎng)、磁力線分布情況、齒槽轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)情況以及輸出轉(zhuǎn)矩的大小進(jìn)行仿真,并在此基礎(chǔ)上制造出了樣機(jī),完成了測(cè)試實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了ANSYS/Maxwell計(jì)算的準(zhǔn)確性。

1 永磁電機(jī)參數(shù)的確定

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

本方案的永磁電動(dòng)機(jī)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(shí))。

1.2 主要尺寸的確定

在永磁無刷電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)過程中,首先考慮的主要尺寸是電機(jī)的定子鐵心外徑Dil以及鐵心長(zhǎng)度L。本文中電機(jī)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(jī)通常多個(gè)串聯(lián)使用,轉(zhuǎn)軸需設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu),以方便內(nèi)部走線,電機(jī)為扁平中空結(jié)構(gòu)。根據(jù)電動(dòng)機(jī)主要尺寸關(guān)系可知:

式中:nN為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速;P為電機(jī)計(jì)算功率;αi為磁鋼極弧系數(shù);Kφ為氣隙磁場(chǎng)波形系數(shù);Kw為基波繞組系數(shù),本文為了使電機(jī)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(jī)氣隙磁密平均值,主要由永磁體材料決定;通過計(jì)算,電機(jī)鐵心長(zhǎng)度L取15 mm。

1.3 磁性材料的選擇

目前,永磁電動(dòng)機(jī)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(duì)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(jī)設(shè)計(jì)中,采用鐵氧體的電機(jī)磁鋼用量較多,電機(jī)質(zhì)量較大??紤]到本有質(zhì)量要求,同時(shí)考慮到電機(jī)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(jī)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(jià)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(jī)導(dǎo)磁材料。本文為了增加電機(jī)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(qiáng)度,高飽和的磁滯伸縮系數(shù),高居里溫度的特點(diǎn)。

1.4 磁鋼結(jié)構(gòu)的選擇

永磁電動(dòng)機(jī)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(jī)。本文的電機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)

2.1 基本有限元分析的方程磁場(chǎng)

永磁電機(jī)的電磁場(chǎng)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(jī)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(jī)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(lì)源及邊界條件;接下來通過合理的設(shè)置剖分計(jì)算步長(zhǎng)、求解時(shí)間及運(yùn)動(dòng)邊界條件完成求解;最后通過多參數(shù)掃描對(duì)比,找出最優(yōu)電機(jī)設(shè)計(jì)方案。

表1 電機(jī)主要參數(shù)表

圖3 電機(jī)二維模型

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

圖4 電機(jī)剖分圖

3 永磁電機(jī)有限元仿真結(jié)果分析

3.1 磁場(chǎng)分布

ANSYS/Maxwell瞬態(tài)場(chǎng)計(jì)算可模擬電機(jī)動(dòng)態(tài)的運(yùn)行過程,仿真分析電機(jī)各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的磁場(chǎng)分布情況。從圖5、圖6中可以看出,電機(jī)的主磁場(chǎng)分布均勻,僅在電機(jī)槽口處有局部磁密相對(duì)較高,為極間漏磁產(chǎn)生。通過對(duì)電機(jī)齒部磁密分析,如圖7所示,電機(jī)空載尺寸磁密最高為1.82 T,并沒有達(dá)到1J22材料磁飽和區(qū)間,說明電機(jī)尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

圖5 電機(jī)的磁力線分布圖

圖7 電機(jī)齒部的磁密分布情況

3.2 電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)波形

電機(jī)的氣隙波形和空載反電動(dòng)勢(shì)波形如圖8、圖9所示。為了減小電機(jī)運(yùn)行中的振動(dòng),需對(duì)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化,本文分別通過對(duì)電機(jī)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(jìn)行優(yōu)化分析,通過對(duì)氣隙磁場(chǎng)的優(yōu)化,使氣隙磁場(chǎng)磁密波形正弦化,從而得到接近正弦波的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形,降低電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

圖8 電機(jī)氣隙磁密

圖9 電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)

3.3 齒槽轉(zhuǎn)矩

永磁電機(jī)線圈不通電流時(shí)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(chǎng)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(dòng)會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)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(shí)也會(huì)降低電機(jī)磁場(chǎng)基波的幅值,影響電機(jī)性能。本文通過對(duì)斜槽角度的優(yōu)化及電機(jī)性能的綜合考慮,最終采用將電機(jī)定子齒斜半個(gè)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(duì)比如圖10所示,通過斜槽,電機(jī)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(dòng)降低了32%。

圖10 優(yōu)化前后的齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)比

3.4 輸出轉(zhuǎn)矩

電機(jī)在施加13 A電流有效值時(shí),電動(dòng)機(jī)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(dòng)計(jì)算值小于2%,電機(jī)輸出扭矩運(yùn)行平穩(wěn),其輸出轉(zhuǎn)矩平均值為0.81 N·m。

圖11 電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩波形

4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

通過使用測(cè)功機(jī)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試,制作的樣機(jī)如圖12所示。

圖12 制作的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)

給驅(qū)動(dòng)器施加24 V直流電源,把電機(jī)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(jī)性能實(shí)測(cè)值和ANSYS仿真值對(duì)比如表2所示。

表2 電機(jī)性能實(shí)測(cè)值與仿真值數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié) 語

本文對(duì)電動(dòng)關(guān)節(jié)用永磁電機(jī)特性進(jìn)行了仿真研究,利用ANSYS/Maxwell軟件建立了電機(jī)的有限元模型,并對(duì)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)、氣隙磁密、齒槽轉(zhuǎn)矩及輸出力矩等特性進(jìn)行了分析。最后結(jié)合樣機(jī)具體測(cè)試數(shù)據(jù)比較,進(jìn)一步驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)手段的合理性,對(duì)后續(xù)該類電機(jī)的設(shè)計(jì)具有一定的理論參考價(jià)值。

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