基于高過載需求的永磁電機設計

徐偉棟

摘 要：本文基于筆者的試驗，首先對永磁同步電機過載能力研究的基礎方向進行了闡述，然后根據需求對基于高過載需求的永磁電機進行了設計。

關鍵詞：工業機器人;高過載;永磁同步電機

一、序言

永磁電機的類型多種多樣，被應用到了各種領域中。永磁同步電機作為一種過載能力強、功率密度高、轉化效率高的新型永磁電機，其研究進度決定著我國相關產業的升級速度。以工業機器人行業為例，常規設計的永磁同步電機已經無法滿足工業機器人行業越來越多樣化的生產需求，所以繼續對該行業的永磁同步電機設計進行優化和調整。本文正是基于此對工業機器人領域所需求得高過載永磁同步電機進行研究，希望能為相關產業的研究方向提供一些參考建議。

二、永磁同步電機過載能力研究

針對永磁同步電機的過載能力的研究可以分為四個方面：首先是針對永磁電機轉矩的分析，相關研究證明，當向永磁同步電機的內部輸入足夠大的電流時，負載反電勢的值就會非常接近母線電壓。這就反過來使得輸入的電流不能進一步增加，也就限制了輸出的轉矩，進而影響永磁同步電機的過載能力;其次針對轉子結構對過載能力的研究，因為永磁電機內部的永磁體是不良導體，所以研究人員利用不良導體的特點來講永磁體與轉子鐵芯相結合（置于表面），從而構成了一個音集電極的磁路結構，該磁路結構的交直軸電抗基本相等，但如果永磁體進入轉子鐵芯的內部，就會破壞交直軸電抗的平等關系，進而產生磁阻轉矩;第三是針對定子內徑大小進行研究，因為在外徑不變的情況下，定子的內徑決定了永磁體的有效面積，內徑越大有效面積也越大，內徑約小齒槽面積越大，進入提高了永磁電機的過載能力;最后是氣隙長度的影響，氣隙長度決定了電機的反電動勢、氣隙磁密和電感參數，氣隙長度越大則磁路磁阻越大，電樞反應強度越弱，進而永磁電機的過載能力也隨之增大。

三、基于高過載需求的永磁電機設計

1.設計要求

根據某工業機器人生產環境的實際需求，筆者將本次設計永磁電機的額定電流為6.2A，功率為1KW，峰值轉速為6400r·min-1，峰值轉矩為15.8N·m，控制器的輸出電壓為180V，額定轉速為2900 r·min-1，額定轉矩3.17 N·m，短時過載倍數為5倍。

2.主要尺寸

本次設計的永磁電機所參考的工業機器人大小適中，但是內部的關節點擊安裝空間較小，使得這次設計的定子外徑也較為嚴格，根據實際調查，筆者認為外徑60mm，軸向長度70mm長度的外徑能夠符合本次設計的需求。

在極槽配合方面，經過相關仿真，筆者發現10極12槽電樞反應電抗最低，同時在空載、額定負載、五倍過載三種過載的情況下，其轉矩波動均遠遠小于8極12槽和8極18槽，所以本次設計將極槽配合確定為10極12槽。

在定子裂比方面，因為定子裂比和氣隙磁通量、定子繞組匝和電機過載倍數有著直接的關系，所以針對定子裂比的特性、繞組電阻的銅耗量和整體過在效率，筆者認為定子裂比為2時其各項參數與性能相對最優。

在永磁體設計方面，本設計將選擇牌號N38UH的欽鐵硼材料作為永磁體。由前文分析，由于本文所設計電機不采用弱磁控制，為防止過大的電樞反應電抗影響電機的過載能力，將采用表貼式轉子結構。除了可以保證過載能力，表貼式轉子結構安裝簡單，成本低，可通過對永磁體進行削角保證磁密波形正弦性，有效降低波動及電磁噪音。同時隨著永磁體厚度增加，過載能力增強，效率降低，鐵耗增加。永磁體厚度為3mm時，即可滿足5倍過載的設計要求。為了節省永磁體用量，獲得相對較高的效率和較低的鐵耗，將永磁體厚度定為3mm。

在不等氣隙長度優化方面，本文所設計電機為機器人用電機，對電機的轉矩波動有一定的要求。為了進一步降低電機的轉矩波動，對永磁體外圓進行了不等氣隙優化處理，根據相關試驗筆者可以斷定，隨著不等氣隙比例的降低，永磁體渦流損耗以及輸出轉矩呈緩慢上升趨勢。當不等氣隙比例為1.2時，電機在空載、額定負載和5倍過載情況下的轉矩波動較小，為此本文選定永磁體外圓不等氣隙比例為1.2。

四、總結

總而言之，本文根據永磁同步電機的過載能力方向出發，對永磁電機的極槽配合、定子裂比、用題詞設計和不等氣隙長度優化四個方面對永磁同步電機進行了重新設計，讓其能夠滿足當前工業機器人的工作環境和生產要求。根據后續的仿真模擬實驗，筆者對本次設計的永磁同步電機進行了運行模擬，發現本次設計的電機不僅能夠正常運行，同時過載能力也能達到傳統電機的5倍左右，整體能力提升了50%。

參考文獻

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