1. 引言
无框电机是一种新型力矩电机,专为需求体积小、重量轻、惯量低、结构紧凑、功率高的应用场合而设计,适配性强,在机器人关节、医疗机器人、传感器万向节、无人机推进和制导系统以及其他应用领域具有广泛的应用前景 [1] [2] 。
目前无框电机的代表性产品有美国科尔摩根的TBM (S)无框力矩电机、Parker公司的K系列无框伺服电机、Aerotech公司S-series高性能无框力矩电机、Alliedmotion公司的无框力矩电机等。
本研究针对机器人用无框电机,开展方案设计及优化分析。
2. 无框电机设计指标
根据设计要求,研发一款无框永磁同步电动机,电机的主要参数与性能要求如下表1所示。
3. 设计要点
该类电机的设计要点和难点包括下述两方面。
1) 通过优化设计使得所设计电机在限定体积下满足转矩输出要求。主要包括两部分转矩:
在额定电流下能够长时间输出连续转矩(受绕组温升限制);
在峰值电流下能够输出峰值转矩(受电机过载能力和直流电压限制),峰值转矩指标参照科尔摩根产品样本中的相应参数 [3] [4] 。
2) 通过优化设计极槽配合、转子磁极结构、斜槽等手段降低齿槽转矩和转矩脉动,抑制转速扰动,改善运行平稳性。
4. 材料与参数
综合考虑应用环境、使用条件、性能、成本等多种因素,相关参数与材料的选择如下,并按此进行仿真分析:
1) 绝缘等级:耐温180˚C以上
2) 槽满率:约70%;
3) 槽绝缘厚度:0.2 mm~0.2 5mm
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 1. Design requirements for frame free motor
表1. 无框电机的设计要求
4) 叠压系数:0.97
5) 硅钢片型号:35W270硅钢片,特性如图1所示。
6) 永磁体:N38EH,Br = 1.15T − 1.25T (20˚C),150˚C退磁曲线线性,180˚C拐点不高于0.2。(场计算时,Br取1.2T)
7) 绝缘等级采用H级绝缘。
5. 设计与分析
在负载转矩仿真计算过程中,电机的电流均按照正弦电流波形进行计算,且除表面插入式转子磁极结构外,均采用Id = 0进行仿真 [5] [6] 。
5.1. 电磁分析
首先分析无框电机应用较多的12极39槽的极槽配合。该极槽配合具有不同的绕组分相方式,分别如如图2(a)、图2(b)所示,这也是两种不同分相方式电机的仿真模型。从仿真计算得到的空载反电动势结果来看,新型分相方式电机的空载反电动势有效值更大,且转矩脉动更小,如图3及表2所示。
由于极槽配合对无框电机的性能影响很大,因此,在分析12极39槽的基础上,进一步分析14极15槽和14极39槽电机的性能。其模型如图4所示。仿真结果如表3和图5所示,从计算结果可以看出,14极39槽在保证平均转矩的同时,转矩脉动很小,不足14极39槽的一半,因此具有显著的性能优势。
5.2. 定子斜槽
定子斜槽可有效削弱齿槽效应对转矩脉动的影响,但同时也会导致电机的基波反电动势和平均转矩产生较大幅度下降。因此,采用斜槽工艺时,需要采取其他措施提高反电动势和平均电磁转矩。结果如表4所示。
![](//html.hanspub.org/file/3-2340504x9_hanspub.png)
Figure 1. Magnetization curve of 35W270
图1. 35W270磁化曲线
(a)
(b)
Figure 2. Distribution of two different phases of phase winding for 39s12p. (a) Rmxprt automatic split phase; (b) new split phase
图2. 12极39槽两种不同的分相方式绕组分布。(a) Rmxprt自动分相;(b) 新型分相
5.3. 定子开辅助槽
在定子齿顶位置开0.5 mm的小半圆作为辅助槽以削弱转矩脉动。电机结构如图所示。从表中计算结果可知,开设辅助槽可以降低转矩脉动0.25个百分点,同时,电机的平均转矩下降约2%。仿真模型及
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Figure 3. Unloaded back EMF waveforms under different phase separation modes for 39s12p. (a) No-load back EMF of new split phase; (b) no-load back EMF of Rmxprt automatic split phase
图3. 12极39槽不同分相方式下的空载反电动势波形。(a) 新型分相空载反电势;(b) Rmxprt分相空载反电势
结果如图6、表5所示。
5.4. 热分析
对14极39槽方案进行热分析,当环境温度为25˚C,电机绕组最高温度为145.8˚C,满载H级绝缘等级的温度要求。仿真对比结果如图7所示。
14极15槽 14极39槽
Figure 4. Electric motor model with different pole grooves
图4. 不同极槽配合电机模型
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Figure 5. Different polar slots combined with unloaded back EMF waveforms. (a) 15 slot 14 pole; (b) 39 slot 14 pole
图5. 不同极槽配合空载反电动势波形。(a) 14极15槽;(b) 14极39槽
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Figure 6. Schematic diagram of the structure of the stator opening auxiliary slot
图6. 定子开辅助槽结构示意图
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Figure 7. Temperature distribution of motor (ambient temperature 25). (a) The temperature distribution of the radial section of the motor; (b) the temperature distribution of the winding in the motor slot
图7. 14极39槽电机的温度分布(环境温度25˚C)。(a) 电机径向截面温度分布;(b) 电机槽内绕组温度分布
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Table 2. Torque ripple in phase separation of different windings of motor
表2. 12极39槽电机不同绕组分相的转矩脉动
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Table 3. Comparison of electromagnetic performance of motors with different electrode grooves
表3. 不同极槽配合电机的电磁性能对比
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Table 4. Effect of chute on no-load EMI and torque ripple
表4. 斜槽对空载反电动势和转矩脉动的影响
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 5. Effect of auxiliary slot on no-load EMI and torque
表5. 辅助槽对空载反电动势和转矩的影响
6. 小结
本文提出了一种面向机器人领域的100 W级无框电机的技术研究。以负载特性为出发点,以性能为落脚点,从设计要点、材料选取、电磁特性、热特性等等角度出发,对电机进行系统优化设计。