一種高端制造裝備用伺服電機(jī)設(shè)計(jì)研究

范雪蕾，莫會(huì)成，莫 為

(1.西安微電機(jī)研究所，西安 710077；2.陜西科技控股集團(tuán)有限責(zé)任公司,西安 710077;3.西安西微智能科技有限公司,西安 710077)

0 引 言

當(dāng)前世界經(jīng)濟(jì)格局正在發(fā)生深刻變革和調(diào)整。加速培育和發(fā)展高端裝備制造業(yè)，既是構(gòu)建國際競爭新優(yōu)勢，掌握發(fā)展主動(dòng)權(quán)的迫切需要，也是轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級的內(nèi)在需求。未來5～10年，我國高端裝備制造業(yè)將迎來發(fā)展的重要戰(zhàn)略機(jī)遇期。作為高端裝備制造業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向和信息化與工業(yè)化深度融合的重要體現(xiàn)，大力培育和發(fā)展智能制造裝備產(chǎn)業(yè)對于加快制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提升生產(chǎn)效率、技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量，降低能源資源消耗，實(shí)現(xiàn)制造過程的智能化和綠色化發(fā)展具有重要意義。

近年來以“智能制造”為核心理念的第三次工業(yè)革命的浪潮已經(jīng)到來，而其核心技術(shù)之一就是工業(yè)機(jī)器人。永磁交流伺服系統(tǒng)是機(jī)器人三大關(guān)鍵技術(shù)之一，它主要解決機(jī)器人動(dòng)力學(xué)問題如精度、速度、平穩(wěn)性等。

電機(jī)作為伺服系統(tǒng)中的一部分，其反電勢正弦性及齒槽轉(zhuǎn)矩對系統(tǒng)精度及平穩(wěn)性有很大的影響。本文主要對電機(jī)反電勢波形及齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了優(yōu)化，盡可能地削弱反電勢諧波、降低齒槽轉(zhuǎn)矩，以達(dá)到高端制造裝備對電機(jī)的高要求。

1 電磁設(shè)計(jì)

1.1 電機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 電機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 電磁方案的確定

電機(jī)采用20極24槽方案，定子為平行齒，轉(zhuǎn)子永磁體采用表貼式結(jié)構(gòu)。同時(shí)，在有效串聯(lián)匝數(shù)不變的情況下，增大繞組線徑有效截面積，選用釹鐵硼N38UH永磁體，以提升電機(jī)電、磁負(fù)荷，增加電機(jī)有效輸出轉(zhuǎn)矩。采用Ansys Maxwell設(shè)計(jì)軟件對電機(jī)進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)及仿真計(jì)算[1-2]，以下為仿真計(jì)算結(jié)果。

定子繞組選擇跨距為1的分?jǐn)?shù)槽雙層繞組，布置圖如圖1所示。

圖1 繞組布置圖

電機(jī)磁力線分布圖如圖2所示。

圖2 電機(jī)磁力線分布圖

可以看出電機(jī)磁力線分布符合分?jǐn)?shù)槽電機(jī)的磁力線分布特征，任意時(shí)刻下，并不是每一處定子鐵心軛部都有磁力線通過。

電機(jī)磁密云圖如圖3所示。

可以看出，除定子鐵心齒肩及轉(zhuǎn)子鐵心軛部磁密較高，出現(xiàn)局部飽和現(xiàn)象外，其余部分磁密在1.6T及以下。

圖3 磁密云圖

2 電磁優(yōu)化

2.1 齒槽定位轉(zhuǎn)矩的降低

(1)有限元模型的建立

在建立電機(jī)模型時(shí)，認(rèn)為電機(jī)為理想狀態(tài)，即：

①鐵心疊壓系數(shù)為1。

②電機(jī)中任一部分材料均勻相同、永磁體相同無差異。

電機(jī)有限元模型及網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 電機(jī)有限元模型

圖5 電機(jī)網(wǎng)格剖分

為便于建立模型做了以上假設(shè)，但在電機(jī)實(shí)際制造過程中，鐵心采用膠粘或者焊接的方式疊壓，沖片與沖片之間都有一定厚度的漆膜或膠膜，所以疊壓系數(shù)不可能為1。另外，電機(jī)所用材料不可能均勻相同，但偏差都控制在一定范圍內(nèi)，例如可控制同一臺(tái)電機(jī)所用的永磁體磁性能偏差在3%或者5%以內(nèi)。

(2)齒槽定位轉(zhuǎn)矩求解

以槽口寬度為設(shè)計(jì)變量，取值范圍設(shè)定為1.5～3.5mm，繞組線徑為0.56mm，槽口寬度最小值大于線徑；同時(shí)為了簡化計(jì)算，將增量步長設(shè)為0.5mm。通過有限元仿真得到了不同槽口寬度的齒槽定位轉(zhuǎn)矩，如表2所示。

表2 不同槽口寬度的齒槽定位轉(zhuǎn)矩

根據(jù)表2繪制出槽口寬度與齒槽定位轉(zhuǎn)矩的關(guān)系圖，如圖6所示。

圖6 不同槽口寬度時(shí)電機(jī)的齒槽定位轉(zhuǎn)矩

通過以上仿真結(jié)果可看出：剛開始隨著槽口寬度的增加，齒槽定位轉(zhuǎn)矩逐漸減小，在槽口寬度為2mm時(shí)達(dá)到最小值204.15mN·m。隨后，隨著槽口寬度的繼續(xù)增加，齒槽定位轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)而增大。所以，電機(jī)定子沖片槽口寬度設(shè)計(jì)為2mm，此時(shí)齒槽定位轉(zhuǎn)矩僅為204.15mN·m，符合≤500mN·m的目標(biāo)值。

2.2 反電勢諧波的削弱

在電機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，不僅要考慮反電勢的量值大小，因?yàn)樗谝欢ǔ潭壬戏从沉穗姍C(jī)的負(fù)載能力，還要考慮反電勢的諧波含量。反電勢諧波含量越小說明電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也越小。合理選擇永磁體形狀對電機(jī)反電勢波形的影響至關(guān)重要，本文研究的電機(jī)永磁體形狀為面包形，如圖7所示。轉(zhuǎn)子外徑、永磁體寬度及厚度確定后，進(jìn)而確定偏心距L1，L1的大小決定Rs的大小，而Rs的大小決定了電機(jī)反電勢波形的正弦度。

圖7 永磁體形狀

以偏心距為設(shè)計(jì)變量，取值范圍設(shè)定為0～55mm，增量步長設(shè)為5mm，線反電勢峰值以及線反電勢諧波含量仿真結(jié)果如表3所示。

表3 不同偏心距的線反電勢峰值及線反電勢諧波含量

可以看出，雖然永磁體采用偏心方式進(jìn)行削角之后，反電勢的基波幅值有所下降，但對諧波幅值同樣具有削減作用。根據(jù)表3中偏心距與線反電勢峰值的數(shù)據(jù)繪制出兩者的關(guān)系圖，如圖8所示。

圖8 線反電勢峰值與偏心距關(guān)系圖

可以看出，隨著偏心距的增大，電機(jī)線反電勢峰值一直在下降。

再根據(jù)表4中偏心距與線反電勢諧波含量的數(shù)據(jù)繪制出兩者的關(guān)系圖，如圖9所示。

圖9 線反電勢諧波含量與偏心距關(guān)系圖

可以看出，隨著偏心距的增大，反電勢中的諧波含量也在大幅降低，在偏心距為55mm時(shí)，電機(jī)線反電勢諧波含量已降低至1.22%以下，極大程度地降低了轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

綜合考慮電機(jī)負(fù)載能力和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，最終永磁體偏心距取值54.1mm，電機(jī)線反電勢波形如圖10所示。

圖10 線反電勢波形圖

從線反電勢波形來看，波形為正弦波，峰值為121.6V(300r/min)，將其進(jìn)行FFT(快速傅里葉變換)后，如圖11所示。

圖11 線反電勢FFT分解

可以看出，線反電勢基波幅值為120.8V，再據(jù)諧波畸變率定義，將各階次諧波幅值帶入計(jì)算，諧波含量為1.38%，在2%以下，電機(jī)線反電勢正弦性較好，能夠滿足高精度的使用要求。

2.3 技術(shù)指標(biāo)符合性

根據(jù)以上仿真結(jié)果可以得出電機(jī)技術(shù)要求與設(shè)計(jì)值的對比表，如表4所示。

表4 電機(jī)技術(shù)要求與設(shè)計(jì)值對比表

可以看出，設(shè)計(jì)值與要求值相符，電機(jī)電磁設(shè)計(jì)結(jié)果滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。

3 樣機(jī)制造與測試

根據(jù)本文提出的伺服電機(jī)電磁設(shè)計(jì)及優(yōu)化方案，西安微電機(jī)研究所生產(chǎn)出了一臺(tái)樣機(jī)，并對樣機(jī)進(jìn)行了性能測試。

3.1 反電勢波形測試

用穩(wěn)速轉(zhuǎn)臺(tái)拖動(dòng)樣機(jī)至300r/min，用示波器測試此時(shí)的線反電勢波形及線反電勢有效值。電機(jī)線反電勢波形圖如圖12所示。

圖12 電機(jī)線反電勢波形

反電勢系數(shù)實(shí)測值為0.285V/r·min-1，與計(jì)算值0.285V/r·min-1吻合。

采用功率分析儀對電機(jī)線反電勢進(jìn)行諧波含量的測試，電機(jī)線反電勢諧波含量圖如圖13所示。

圖13 電機(jī)線反電勢諧波含量圖

電機(jī)線反電勢諧波含量實(shí)測值為1.36%，計(jì)算值為1.38%，從測試結(jié)果可看出，實(shí)測值與計(jì)算值基本相同。

3.2 齒槽定位轉(zhuǎn)矩測試

利用先進(jìn)的齒槽定位轉(zhuǎn)矩測試系統(tǒng)對樣機(jī)進(jìn)行齒槽定位轉(zhuǎn)矩的測試，測試系統(tǒng)由被測電機(jī)、負(fù)載裝置及高精度扭矩傳感器組成，通過連續(xù)采集高精度扭矩傳感器的輸出信號并進(jìn)行處理得出被測電機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化[3]。

被測電機(jī)以1r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，測試此轉(zhuǎn)速下的齒槽定位轉(zhuǎn)矩，測試系統(tǒng)界面如圖14所示。

從測試結(jié)果中可以看出，電機(jī)齒槽定位轉(zhuǎn)矩峰峰值占額定轉(zhuǎn)矩的比例為0.408%，即127×0.408%=518mN·m。則齒槽定位轉(zhuǎn)矩峰值為259mN·m，小于500mN·m。

圖14 電機(jī)齒槽定位轉(zhuǎn)矩測試系統(tǒng)界面

3.3 力能測試

電機(jī)進(jìn)行力能測試時(shí)，使用專用工裝與測功機(jī)進(jìn)行連接。整個(gè)測試系統(tǒng)包括被測電機(jī)、試驗(yàn)工裝(試驗(yàn)用驅(qū)動(dòng)器也是試驗(yàn)工裝的一部分)及測功機(jī)。電機(jī)要求值、計(jì)算值及測試值如表5所示。

表5 伺服電機(jī)要求值、計(jì)算值及測試值對比表

樣機(jī)測試值與計(jì)算值接近，能夠滿足技術(shù)指標(biāo)的要求，且在測試過程中，運(yùn)行平穩(wěn)，完全能夠滿足高端制造裝備在實(shí)際使用中的要求。

4 結(jié) 論

本文介紹的是一款具有極低諧波含量、較低齒槽定位轉(zhuǎn)矩的伺服電機(jī)，首先根據(jù)技術(shù)要求確定電機(jī)的基本電磁方案，進(jìn)而通過優(yōu)化定子沖片槽口寬度來降低電機(jī)齒槽定位轉(zhuǎn)矩；通過合理選擇轉(zhuǎn)子永磁體偏心距來削弱反電勢諧波含量，同時(shí)兼顧電機(jī)負(fù)載能力和反電勢諧波含量，選擇最優(yōu)值。以上優(yōu)化措施可達(dá)到提高電機(jī)精度、保證運(yùn)行平穩(wěn)性的目的。

此類型伺服電機(jī)具備精度高、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，在高端制造裝備伺服系統(tǒng)中，將起到至關(guān)重要的作用。