管道檢測機器人用永磁同步電動機設計

余菊峰

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

由于受到自然因素及各種自身原因的影響，各類輸氣、輸油及輸水管道在經過長期使用之后，經常會出現管道破裂或堵塞，導致輸送介質泄漏或輸送效率降低，有時甚至引起爆炸、火災等惡性事故。為加強城市燃氣管網安全生產與管理、保障城市能源供應與使用安全，必須對管道進行定期檢查[1]，新型管道檢測機器人可以代替人類進入到復雜多變的管道環境中,并通過自身攜帶的檢測或疏通裝置對管道進行檢測及維護工作,確保管道有效安全的工作。管道機器人機械本體對系統實現目標功能具有重要影響作用,直接影響管道機器人的控制特性[2]。

本文介紹的永磁同步電動機主要用于管道檢測機器人中的自主運動系統，是系統中的主要驅動動力元件。此電動機具有體積緊湊、可靠性好、耐溫性能強、功率密度高等特點，在各種管道檢測系統中具有廣泛的應用價值。

1 基本結構和原理

首先結合管道檢測機器人使用環境的要求，采用有限元分析軟件分析不同極槽配合形式的電機運行特性，同時優化電機磁鋼形狀，降低電機電磁轉矩變化，有效提高永磁同步電動機的效率及可靠性。電機控制系統采用無位置傳感器的驅動控制方式，確保電機裝置的可靠運行。

1.1 電機基本結構

管道檢測機器人用永磁同步電動機的具體結構如圖1所示。

圖1 永磁同步電動機結構簡圖

電機采用徑向磁路結構，整體外形為管狀細長結構，電機內部腔體充油，通過油進行熱量傳遞，確保整個電機溫度平衡。轉軸作為減速器的第一級，經過高變比減速器與外部爬行裝置相連，通過控制電機的旋轉實現機器人的管道內行走。

1.2 主要工作原理

本電機為徑向磁路永磁同步電動機，電機三相繞組依次鑲嵌在定子鐵心的槽中，轉子采用稀土永磁材料進行勵磁。電機采用的控制方式為無位置傳感器驅動模式，通過檢測繞組電壓過零點來判斷轉子的相對位置。上位驅動器根據檢測到的轉子位置改變定子電樞線圈中的電流方向，確保轉子氣隙磁通與定子電流產生的磁場總是保持正交，使得輸出轉矩始終最大。

2 設計內容

針對管道檢測機器人爬行系統對永磁同步電動機的要求，本文有如下幾個方面的設計內容：

2.1 低脈動電機電磁設計及仿真技術

本文電機的運行轉速在8 000 r/min,并通過兩級減速器減速后輸出。針對這一運行要求，本電機設計采用6齒2極的整數槽形式，具有較高的繞組系數，定子為分布繞組，具有較高的轉矩系數，并有效地減小電機繞組端部長度，降低銅耗，從而提高電機效率；采用兩極轉子可以有效降低運行頻率，減少電機的定子損耗。本文對電機定子沖片的齒部與軛部進行合理設計，使得額定運行時定子鐵心各部分磁密值適當，這樣可以有效減少鐵耗，并在保證定子各部分磁密選取適當的條件下增加定子槽的面積，可以有效降低定子繞組電阻值，最終實現降低電機銅耗的目的[4]。同時對電機轉子磁鋼形狀及磁鋼跨距角度(轉子磁鋼最終跨距角度確定為120°)進行多方案對比分析，優化氣隙磁密分布，減少氣隙磁密中高次諧波含量，最終有效降低電機齒槽轉矩。圖2為電機磁路分布圖，圖3為電機額定運行時的磁密分布圖仿真結果，從圖3中可以看出，電機定子齒部與軛部的磁密值均選取合適。同時計算出管道檢測機器人額定運行條件下電機的齒槽轉矩波形如圖4所示，反電勢波形如圖5所示。

圖2 電機磁路分布圖

圖3 磁密分布圖

圖4 電機齒槽轉矩圖

圖5 電機線反電勢波形

圖6為電機在加載運行時的磁密分布圖，圖7為電機加載時的輸出轉矩波形。可以看出，定轉子各部分磁密在加載條件下并未飽和，確保電機在加載條件下輸出轉矩滿足使用要求。從圖8中可以看出，通過優化設計后，電機的齒槽轉矩下降明顯，可以有效降低電機運行時的轉矩波動，提高運行控制精度。

圖6 加載時磁密分布圖

圖7 加載時轉矩輸出圖

(a) 優化前

(b) 優化后

2.2 耐高溫環境設計技術

針對管道檢測機器人實際運行環境的要求，運行時環境溫度最高能達到180 ℃，再加上電機運行時產生的熱量，普通電機無法達到這種要求，因此在電機設計及材料選擇上要進行詳細的考慮。

2.2.1 提高整體效率，減小自身發熱

1) 采用6齒2極的齒槽結構設計，定子為分布繞組，轉矩系數較高，同時有效減小電機繞組端部長度來降低銅損，從而提高電機效率。

2) 針對電機運行轉速較高的特點，采用兩極設計形式，有效降低電機運行頻率，減少電機定子鐵損；采用厚度0.1 mm高導磁性能低鐵耗系數的硅鋼片，作為定子鐵心的材料，進一步降低定子鐵耗。

3) 轉子磁鋼采用斜極并優化設計磁鋼外形及跨距角度，有效降低高次諧波產生的損耗。

2.2.2 提高自身散熱及抗熱能力，確保電機穩定運行

1) 電機采用封閉式結構，內部填充變壓器油，通過變壓器油作為導熱介質，將定子產生的熱量均勻傳遞到電機各部分，避免因局部溫度過高導致電機失效。

2) 電機轉子磁鋼采用稀土釤鈷永磁材料，耐溫可達300 ℃；定子線圈采用聚酰亞胺漆包線，耐溫可達250 ℃，以滿足電機在高溫環境下穩定運行。

3 測試結果

根據技術要求，對永磁同步電動機進行了技術參數測試。電動機輸入電壓為500 V(DC)，額定轉速為8 000 r/min，額定轉矩為0.5 N·m，其反電動勢測試波形如圖9所示,測試結果與仿真結果相比較基本吻合。氣隙磁通測試波形如圖10所示，波形較好，與仿真基本接近。

圖9 反電勢測試波形圖

圖10 氣隙磁通測試波形圖

電機空載運行時輸入電壓511 V，電流0.24 A，電機轉速8 600 r/min。電機及控制器與機器人整體裝配良好，電機帶20∶1減速器及其它執行機構，機器人懸空測試，輸入電壓467 V，電流0.61 A。隨后進行機器人帶載實驗，機器人在空心管道中爬行，經過滑輪拖動80 kg重物測試。此時輸入電壓430 V，電流1.2 A(見圖11)，機器人爬行正常。同時對永磁同步電動機隨機器人系統實際進行了高溫測試，系統運行溫度為180 ℃，在此運行條件下整個系統正常工作。

圖11 額定運行相電流波形

4 結 語

本文采用細長管狀結構設計，有效減小了永磁同步驅動系統的體積，使得系統的整體質量得到有效控制；通過仿真進行了優化設計，降低了電動機的齒槽轉矩，并提高了電機的運行效率；采用耐高溫設計技術，使系統可以在超高溫條件下穩定運行。