IPM伺服電機開發及其在注塑機上的應用研究

林井福 梁才麟 吳華江 陳平華 黃立波 李爽 陳卓杰

（寧波海天驅動有限公司 浙江寧波 315801）

IPM伺服電機開發及其在注塑機上的應用研究

林井福 梁才麟 吳華江 陳平華 黃立波 李爽 陳卓杰

（寧波海天驅動有限公司 浙江寧波 315801）

本文以一臺90T注塑機開合模、頂出和整移用的5kW，1500rpm IPM電機為例，深入分析IPM伺服電機的電磁設計方法和有限元仿真分析。通過臺架測試和裝機測試，驗證其性能、溫升、響應時間等指標，結果表明這類電機在注塑機上可以充分發揮其高過載、寬調速、溫升低等優勢，具有很強推廣應用價值。

IPM電機；高過載；寬調速；注塑機

前言

目前國內外IPM電機（內嵌式永磁電機）主要應用于新能源汽車、空氣壓縮機等場合，利用其高效、恒功率調速范圍寬等特性[1]。技術上，日本和歐美對IPM電機研究比較深入，推廣應用得較好，在新能源汽車等領域的研究水平處于世界領先水平[2]。我國稀土資源豐富，國家對高效電機大力扶持，IPM電機在空壓機、抽油機等場合推廣得很好，但技術水平和日本、歐美發達國家相比還存在較大差距。

IPM電機發展趨勢為超高效電機、專用電機以及寬恒功率調速、高過載電機等[3]。IPM電機開發項目的實施有利于拓寬我公司電機產品的種類和應用場合。隨著國家節能節排、高效電機推廣等政策的實施，IPM電機必將在未來的高效電機推廣、智能裝備、工業自動化、新能源車等方面發揮其優越性，具有十分廣闊的市場前景。

1 IPM電機設計

IPM電機的設計流程為主要尺寸確定、定子鐵心、定子繞組、定子絕緣、轉子鐵心和磁鋼設計等六部分，一般先用磁路法軟件進行大致方案的設計，再用ANSYS Maxwell進行性能的有限元仿真。

根據式（1）～（3）所示公式確定主要尺寸定子沖片內徑Di1和鐵心長度L。確定Di1后，根據經驗比值及模具規格來定D1。其中，Temmax為最大電磁轉矩，Bδ1為氣隙磁密基波幅值，A為線負荷，Lef為有效鐵心長，δ為氣隙長度。不同冷卻方式，需要合理的Bδ1和A保證電機溫升。式中ωb為角速度，tb為空載加速時間，ρFe為鐵心密度。

根據槽寬、齒寬均分，定子平行齒、合理的軛部高度等原則即可設計定子槽的尺寸。槽口寬、槽口高、槽口斜肩角以及各處圓角根據沖片工藝來選擇。本文設計的IPM采用我司HK18系列電機現有定子沖片，8極48槽設計，如圖1所示。

圖1 定子沖片示意圖

根據諧波大小、端部尺寸和機械下線等確定繞組型式為雙層短距疊繞組，跨距為y=1-6，以消除5次和7次反電勢諧波。繞組排布圖如圖2所示。定子繞組采用200℃級漆包圓銅線，絕緣材料采用H級（180℃）同一個UL絕緣認證體系中的材料。

轉子鐵心采用沖片軸線鉚釘扣緊方式，通過最優化轉子沖片V型磁鋼槽角度和隔磁橋尺寸，并通過鉚釘孔，減重孔和軸孔等設計來輕量化設計電機轉子，減小轉動慣量，轉子沖片如圖3所示。

圖2 繞組排布圖

圖3 轉子沖片局部

磁鋼設計主要包含磁鋼厚度hM、寬度bM尺寸的確定。通過綜合評估電機反電勢、過載、抗退磁能力等參數，可以確定磁鋼的尺寸。

2 IPM電機仿真及參數對性能影響

下面結合一臺90T注塑機開合模、整移和頂出伺服泵專用電機來闡述有限元仿真分析，參數如表1所示，要求有較寬的超速范圍和過載能力。

表1 HP1802152R電機基本參數

圖4為1/8仿真模型及空載磁力線分布圖，有部分磁力線經隔磁橋閉合漏掉，但相對不多，這是綜合考慮轉子沖片機械強度和電磁性能的結果。

圖4 有限元仿真模型及磁力線分布

為分析不同電流和弱磁控制角度時電磁轉矩情況，對電機電流、弱磁控制角度進行掃描分析。圖5為電流從0～30A，以3A為步長求解得到的電機T-n特性曲線，在30A時最大電磁轉矩為78.2Nm，最大轉速2850rpm時轉矩為32Nm，滿足技術要求。圖6為等損耗曲線，為散熱分析提供有力支撐。圖7為效率MAP圖，展示電機的等效率工作曲線和高效區，為電機運行提供理論數據。

圖5 不同電流下電機T-n特性

圖6 不同電流下電機總損耗

圖7 電機工作區內效率MAP圖

通過掃描定子電流，得到不同電流下Ld、Lq的變化曲線，如圖8所示，為驅動器的電流環、轉速環P、I參數的調整提供了數據支撐。

圖8 Ld、Lq隨電流變化曲線

3 IPM在注塑機上應用研究

HP1802152R電機首先在帶泵測試平臺上加載測試，帶海德克25cc/rev泵進行試驗，結果如表2所示，滿足技術要求。

表2 電機帶泵測試結果

之后我們把電機裝在90T機器上進行嚴格測試。圖9（a）和9（b）為電機裝在機器底部倉里和在注塑機上調試的實物照。用KEB F6 15kW驅動器驅動伺服泵，驗證合模、開模、頂出、整移等功能是否能完成，以及驗證電機長時間運行溫升是否滿足。圖10為監測的電壓、電流、轉矩等參數的波形，結果顯示完全可以滿足各種工況的要求。

圖9

圖10 實測波形

按實際打產品的工況，即開合模2.0s（鎖模0.5s），最大整移噴嘴接觸力1s；最大頂出壓力1s，周期10s，占空比為40%連續運行5h后，電機KTY監測溫度穩定在103℃，滿足要求。

目前HP1802152R伺服泵運行良好，已經交付完成10臺套訂單裝機90T注塑機。40～380T噸位的所有伺服泵都在制作樣機測試中。

4 結論

（1）IPM電機設計包含主要尺寸確定、定子鐵心、定子繞組、定子絕緣、轉子鐵心和磁鋼設計。

（2）基于ANSYS Maxwell軟件對90T注塑機伺服泵電機進行了仿真分析，虛擬驗證HP1802152R電機的各項性能指標是否符合伺服泵的技術要求。

（3）伺服泵臺架實驗和裝機實驗結果表明，HP1802152R伺服泵電機完全滿足90T注塑機開合模、頂出、整移的功能要求，溫升合理。

（4）90T注塑機伺服泵的開發驗證40～380T系列伺服泵開發驗證提供了寶貴的經驗。

[1]唐任遠.現代永磁電機理論與設計[M].北京：機械工業出版社，2010：3～11.

[2]張江鵬.具有高過載能力永磁同步電機的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011.

[3]高徐嬌，趙爭鳴，趙強.永磁同步電機的結構與其電磁參數關系分析[J].清華大學學報，2001，41（9）：44～47.

TQ320.52

A

1004-7344（2016）35-0212-03

2016-11-29

林井福（1985-），男，工程師，碩士研究生，主要工作方向為電機電磁設計與仿真。