工業機器人關節的永磁直流力矩電機設計

張飛陽,閆 鑫,陳幫軍,李華鋒

(黃河科技學院，河南 鄭州 450000)

0 引言

永磁直流力矩電機作為直流電機的一種，是近年來隨著永磁技術的不斷成熟而發展起來的一種新型直流電機。在實際的工業生產中，許多自動控制系統所控制的對象設備，如關節型機器人等，其工作時轉速往往是相對較低的。這種情況下使用高速電機需要在整個機構中加裝行星減速器，以此達到降低輸出轉速的目的。如此一來就大大增加了機構的復雜程度，增加產品的體積與重量，對于有嚴格重量要求的設備加大了設計的難度。同時因為加入了減速器，齒輪傳動進一步降低了系統的精度與傳動效率，放大機構工作的噪聲，帶來一系列負面的因素，在如今激烈的市場環境下，產品便失去了其核心的競爭力。

如果改變設計思路選用永磁直流力矩電機，便可規避上述的負面因素。因為永磁直流力矩電機有著轉速低、轉矩大、過載能力強的機械特性，同時又響應速度快、力矩波動小，所以非常符合一些工業機器人的工作需要，是現代工業設備中的一種重要的機電元件[1]。不僅如此在機器人系統中電機直接與驅動對象連接，具有較高的耦合度，能夠較好地減少軸系震蕩，提高系統的穩定性[2]。為此我們特別設計了一種用于工業機器人關節處的低速大扭矩永磁直流力矩電機，其結構簡單，加工難度低，體積小，質量輕，卻又能滿足性能指標，符合設備相應工況下的工作需要。

1 設計原理與結構組成

對于永磁同步電動機的設計，首先應根據所需要的技術指標，選擇合理的電樞繞組和電子換向線路的組合方式。其次是進行電路和磁路系統設計：一方面在確定的技術指標下，盡可能地設計出重量輕、尺寸小、經濟指標好的電機；另一方面，適當選擇電磁參數，以保證電機的運行特性滿足使用要求。

電動機本體主要包括主轉子和主定子。二者必須滿足電磁方面的要求，保證在工作氣隙中產生足夠的磁通。電樞繞組中允許通過一定的電流，以產生特定的電磁轉矩。其次，電動機還需滿足機械方面的要求，保證機械結構牢固、穩定，能傳送所需的轉矩，并能經受一定環境條件的考驗。此外，還要考慮電動機運行的可靠性、結構的工藝性等。

電動機組成如圖1所示，其中包含端蓋、機殼、定子、轉子等。

為了使電機結構足夠簡單，電機機殼與法蘭盤為一體，其上6個安裝孔起到同機器人機構連接與固定的作用，電機軸心處空置并預留有鍵槽，能夠與相應的轉軸適配。安裝電機時我們只需使用螺釘把定子部分的機殼固定于機器人機構的框架上，將轉子與機器人的軸伸端連接，通過鍵使機器人機構伸出軸與轉子同軸轉動，即可通過伺服系統對電機下達控制指令。

從電機輸出形式的結構來看，該永磁直流力矩電機并非傳統的伸出軸的類型，而是中空的孔形設計?？椎闹睆椒较蜷_有平鍵槽，用于和機器人伸出軸連接。當設備的載荷量、傳動的力矩較大時，也可以將平鍵槽改為花鍵結構?；ㄦI設計雖較之平鍵加工成本相對高一些，卻可以大幅度地提升傳動的平穩性與負載能力，此處鍵槽類型應結合具體實際的工況需要選擇相應的方式。另外此電機生產工藝簡單，零部件多成規則的圓柱結構，加工方便。中心連接孔余量大，可設置一系列不同孔徑尺寸滿足不同的需要，實現一次設計滿足多種場合的應用，讓電機成為安裝與更換便捷的模塊化產品，大大提升電機的實用價值。

2 電機設計

由于永磁同步電機磁場的特殊性，使得準確設計相對困難。目前大家所采用的電機設計方法主要分為以下三種：圖解磁路計算法、等效磁路網絡法和有限元磁場數值分析法[3]。而通過計算機輔助設計采用有限元磁場數值分析法相比之前兩種方法可以得到更加準確清晰的數據。越是準確直觀的參數對電機整體性設計就越好，可以使電機的性能更加可靠，減少不必要的冗余，降低成本損耗。

2.1 電機主要尺寸的確定

在電機設計中，通常根據公式(1)確定電機主要尺寸：電樞直徑Da、電樞鐵心長度l，電機的其它尺寸(包括磁路尺寸、結構尺寸)和重量、技術經濟指標都依賴于它。

(1)

式中Da為電樞直徑(cm)；lt為電樞鐵芯計算長度(cm)；n為轉速(r/min)；αi為計算極弧系數；kw為繞組系數；kΦ為磁場波形系數；A為電負荷，即線負荷(A/cm)；Bδ為磁負荷，即氣隙磁感應強度(Gs)；P′為計算功率(VA)

根據公式(1)，電機輸出力矩的大小不僅與電機的電磁負荷有關，還取決于電機的主要尺寸。設計時在給定的外形尺寸下，盡可能加大電機的主要尺寸：定子內徑及定子鐵芯長度；同時選取合適的結構尺寸，使電機磁鋼工作點盡可能靠近剩余磁感應強度點，以獲取較大的氣隙磁密，從而提高電機的輸出力矩和效率，使設計方案達到最優。

2.2 電機定子、轉子設計

電機定子、轉子主要參數見表1。

表1 電機定、轉子主要參數

進行合理的磁路設計，本永磁直流力矩電機設計方案為26極24槽。合適的極槽數配合使電機具有合理的磁路工作點，以降低電機銅損、鐵耗。采取Maxwell 2D有限元模擬仿真和計算，設計時保證電機定子沖片齒部和軛部的磁密基本一致，使電機定子鐵耗分布均勻。設計時應選取合適的氣隙長度，以削弱電樞反應以及齒槽效應對氣隙磁場的影響。

電機轉子磁鋼采用表貼式結構。電機高速運轉，為提高電機轉子結構強度，在磁鋼外加裝一層鋼制護套，保證電機轉子結構牢固可靠。合理選取電機的極弧系數，使得電機每極下的齒數接近整數，同時在氣隙內的磁導一致，有效削弱齒槽效應。

對于電機的磁鋼材料，通過篩選和對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強度、矯頑力和較強的抗去磁能力，同時具有較低的剩磁溫度系數(-0.05%)和較高的居里溫度。該材料磁鋼有利于提高電機性能體積比，增大電機起動轉矩，減小時間常數，保證磁鋼在起動和運行過程中不會發生不可逆退磁；另外也不會因為內部溫度過高，導致磁鋼性能下降，保證電機運行的穩定性。

2.3 電磁計算

利用ANSYS MAXWELL電機仿真軟件根據以上分析建立電機模型，并進行尺寸和結構的優化仿真，仿真結果如圖2所示。

當電機發生連續堵轉時，堵轉電流不會超過1.5A，電機發熱情況穩定，負載運行比較可靠。圖2中，曲線1為轉矩—轉速變化曲線，曲線2為功率—轉速變化曲線，曲線3為效率—轉速變化曲線，統稱為電機的特性曲線，由圖可以看出轉矩會隨著轉速的升高而降低，當轉速較低時，電機扭矩將會增大以彌補降低的轉速，體現出電機軟的特性。

3 設計分析

空載反電勢波形畸變率是衡量電機性能的重要指標，永磁同步電機中的空載反電勢是由空載氣隙磁通在電樞繞組中感應產生。但由于永磁同步電機本身的磁路特點，其氣隙磁場波形并非正弦分布，諧波含量較大，造成空載反電勢波形畸變率大。通過Ansoft軟件對電機有限元分析，采用永磁體偏心距和優化極弧系數的方法降低空載反電勢波形畸變率，達到改善電機反電勢正弦波形的目的，見圖3。

利用Maxwell2D的瞬態場對電機進行周期反電勢展開傅里葉級數分析，得到反電勢諧波分析圖，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。根據公式(2)得出：

(2)

式中v1為基波幅值；Vh為高次諧波幅值

計算得反電勢畸變率為0.93%，滿足應用需求。

永磁同步電動機齒槽效應明顯，使運行中產生機械振動較大，在控制精度高的場合，必須減小齒槽轉矩。通過優化電機本體，調整定轉子結構參數和永磁體組合可以有效降低齒槽轉矩。

在定子結構參數中，選擇合適的齒傾斜角、定子齒寬，以及優化永磁體極弧系數等可以解決齒槽轉矩過大的問題，但是容易出現空載反電動勢幅值減小，進而引起繞組電流偏大，電機損耗增加的問題。利用Maxwell2D仿真優化齒槽扭矩。如圖4所示，顯示齒槽扭矩為8.57mN·m。

電動機磁場分布的定量確定對電動機性能的分析極為重要，我們利用ANSOFT軟件，對不同磁路結構在空載和不同負載下的磁場和氣隙磁密分布進行有限元分析和比較，并分析了永磁體充磁方向、極弧系數和氣隙長度對磁場分布以及氣隙磁密的影響。分析結果為我們在設計時合理選擇電磁參數和最佳磁路結構，提供了理論依據，見圖5、圖6。

通過仿真計算我們得出在額定電壓22VDC下，該電機額定輸出扭矩大于等于3.25N·m，峰值扭矩大于等于4.9N·m，峰值扭矩下轉速大于等于270rpm最高轉速不超過500rpm，電機重量小于1700g。完全滿足工業機器人關節處使用需要，而且其安裝簡易，結構簡單、可靠性較強。同時其重量輕這一特點，極大地減少了一些對重量要求較高的設備的總重。

4 結語

本文結合電磁仿真軟件設計了一種低轉速、大扭矩的永磁直流力矩電機。其結構簡單，占用空間小，能夠很好地應用于機器人領域，具有較高的實用價值與良好的市場前景。