基于ANSYS的電動關節一體化永磁電機性能分析

宋劍橋，王洪武，張東寧，駱 苗

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

電動關節一體化電機通常安裝在機械臂或生產流水線，通過多個關節電機的聯動控制完成機器人的多軸聯動。一體化電動關節是將諧波減速器、制動器、永磁電機、磁編碼器及控制器等多個組件集成在一個空間里，如圖1所示，在同樣性能下體積和質量較傳統伺服電機低很多，電動關節一體化電機大大降低了傳統機器人關節的制造成本。永磁電機作為電動關節的核心部件，是影響電動關節性能的關鍵因素之一。

圖1 電動關節一體化電機結構示意圖

永磁同步電動機具有結構簡單、體積小、效率高、轉矩密度大、電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著特點，特別適合在機器人關節等對電機功率密度要求較高的領域使用。電動關節電機不但要求電機具有較高的功質比，還要求電機運行平穩，減小系統的振動和波動。本文研究的永磁電機采用正弦波驅動，為了降低質量，使用高性能的絕對式編碼器代替質量較大的旋轉變壓器?；贏nsoft軟件采用有限元方法對一臺10極12槽的三相永磁電機進行分析，對模型的定轉子磁場、氣隙磁場、磁力線分布情況、齒槽轉矩的波動情況以及輸出轉矩的大小進行仿真，并在此基礎上制造出了樣機，完成了測試實驗，驗證了ANSYS/Maxwell計算的準確性。

1 永磁電機參數的確定

1.1 主要技術指標

本方案的永磁電動機額定功率PN=260 W，額定轉速nN=3 000 r/min，額定轉矩TN=0.8 N·m，最大轉矩Tmax=1.15 N·m(短時)。

1.2 主要尺寸的確定

在永磁無刷電動機的設計過程中，首先考慮的主要尺寸是電機的定子鐵心外徑Dil以及鐵心長度L。本文中電機外徑受關節組件尺寸限制，定子鐵心外徑Dil定為90 mm。且關節電機通常多個串聯使用，轉軸需設計成空心結構，以方便內部走線，電機為扁平中空結構。根據電動機主要尺寸關系可知：

式中：nN為電機額定轉速；P為電機計算功率；αi為磁鋼極弧系數；Kφ為氣隙磁場波形系數；Kw為基波繞組系數，本文為了使電機空間更加緊湊，采用繞組端部緊湊的集中繞組結構；A為定子線圈銅線電負荷；Bδ為電機氣隙磁密平均值，主要由永磁體材料決定；通過計算，電機鐵心長度L取15 mm。

1.3 磁性材料的選擇

目前，永磁電動機的磁性材料主要使用鐵氧體和釹鐵硼材料。鐵氧體材料雖然成本相對較低，但鐵氧體的磁能積平方根只有釹鐵硼的三分之一，磁負荷較低，需要通過增加磁鋼的使用量來增大氣隙磁通。在電機設計中，采用鐵氧體的電機磁鋼用量較多，電機質量較大。考慮到本有質量要求，同時考慮到電機高溫下工作的穩定性，采用高性能、耐高溫的N42UH釹鐵硼磁鋼。

電機的定、轉子沖片的導磁材料有很多，包括硅鋼、各種磁粉心以及非晶材料等。但是綜合考慮性能、價格、加工特性等各方面因素，目前還是采用最為廣泛的傳統硅鋼材料作為電機導磁材料。本文為了增加電機的功質比，選擇高導磁性能的鐵鈷釩軟磁合金材料1J22為沖片材料，1J22具有高飽和的磁感應強度，高飽和的磁滯伸縮系數，高居里溫度的特點。

1.4 磁鋼結構的選擇

永磁電動機的磁鋼安裝結構可以分為內置式和表貼式，如圖2所示。內置式磁鋼安裝在轉子鐵心內部，要求鐵心徑向尺寸較寬，通常應用在高速電機。本文的電機轉速要求不高，且轉子中間要求留有空間走線，因此，選擇鐵心徑向要求不高的表貼式磁鋼結構。

(a) 內置式

(b) 表貼式

2 基于ANSYS/Maxwell的永磁電機設計

2.1 基本有限元分析的方程磁場

永磁電機的電磁場有限元分析基本理論是從麥克斯韋方程組得出的，麥克斯韋方程組的基本微分形式表示如下：

2.2 二維建模

永磁電機的主要參數如表1所示。采用有限元仿真，步驟如下：首先使用CAD軟件繪制好電機的定轉子沖片、磁鋼圖形；然后將圖形導入ANSYS/Maxwell模塊中建立二維有限元模型如圖2所示；再通過定義定轉子、磁鋼等各零部件材料屬性和增加激勵源及邊界條件；接下來通過合理的設置剖分計算步長、求解時間及運動邊界條件完成求解；最后通過多參數掃描對比，找出最優電機設計方案。

表1 電機主要參數表

圖3 電機二維模型

由于軟件自動剖分的計算精度不是很高，為了提高計算的準確度與精度，需要在自動剖分的基礎上進行手動剖分，對氣隙、沖片尖角等位置進行網格加密處理。手動剖分后的模型圖如圖4所示。

圖4 電機剖分圖

3 永磁電機有限元仿真結果分析

3.1 磁場分布

ANSYS/Maxwell瞬態場計算可模擬電機動態的運行過程，仿真分析電機各個時間點的磁場分布情況。從圖5、圖6中可以看出，電機的主磁場分布均勻，僅在電機槽口處有局部磁密相對較高，為極間漏磁產生。通過對電機齒部磁密分析，如圖7所示，電機空載尺寸磁密最高為1.82 T，并沒有達到1J22材料磁飽和區間，說明電機尺寸結構設計合理。

圖5 電機的磁力線分布圖

圖7 電機齒部的磁密分布情況

3.2 電機空載反電動勢波形

電機的氣隙波形和空載反電動勢波形如圖8、圖9所示。為了減小電機運行中的振動，需對電機氣隙磁場進行優化，本文分別通過對電機的極弧系數、定子槽開口尺寸以及采用面包形磁鋼的不等氣隙多參數進行優化分析，通過對氣隙磁場的優化，使氣隙磁場磁密波形正弦化，從而得到接近正弦波的感應電動勢波形，降低電機的輸出轉矩脈動。

圖8 電機氣隙磁密

圖9 電機空載反電動勢

3.3 齒槽轉矩

永磁電機線圈不通電流時磁鋼和有槽定子鐵心之間互相作用產生的轉矩為齒槽轉矩，是由磁鋼產生的磁場與線圈齒之間相互作用的切向分量引起的。齒槽轉矩的波動會使電機產生振動和噪聲，影響系統控制的精度。為了降低齒槽轉矩，采用斜槽的方法，但采用斜槽的同時也會降低電機磁場基波的幅值，影響電機性能。本文通過對斜槽角度的優化及電機性能的綜合考慮，最終采用將電機定子齒斜半個齒距的方法，減小了齒槽轉矩，優化前后的齒槽轉矩對比如圖10所示，通過斜槽，電機的齒槽轉矩峰峰值從優化前的3.3 mN·m降低至優化后的2.2 mN·m,齒槽轉矩波動降低了32%。

圖10 優化前后的齒槽轉矩對比

3.4 輸出轉矩

電機在施加13 A電流有效值時，電動機在額定轉速3 000 r/min下電磁轉矩曲線如圖11所示。通過斜槽及相關參數的優化，扭矩波動計算值小于2%,電機輸出扭矩運行平穩，其輸出轉矩平均值為0.81 N·m。

圖11 電機的輸出轉矩波形

4 樣機實驗數據與仿真數據對比

通過使用測功機對樣機進行測試，制作的樣機如圖12所示。

圖12 制作的電機和驅動器樣機

給驅動器施加24 V直流電源，把電機速度調整到2 000 r/min，逐漸增加負載轉矩至額定值，電機性能實測值和ANSYS仿真值對比如表2所示。

表2 電機性能實測值與仿真值數據對比

5 結 語

本文對電動關節用永磁電機特性進行了仿真研究，利用ANSYS/Maxwell軟件建立了電機的有限元模型，并對電機的反電動勢、氣隙磁密、齒槽轉矩及輸出力矩等特性進行了分析。最后結合樣機具體測試數據比較，進一步驗證了該設計手段的合理性，對后續該類電機的設計具有一定的理論參考價值。