高過載高可靠永磁同步伺服電機關鍵技術研究

董 菲，董春雷，安 翼，劉 雯，蘇靜靜

（北京精密機電控制設備研究所，北京，100076）

0 引 言

航天伺服系統用永磁同步伺服電機是一種交流電機，要求空間體積小、質量輕，且需要滿足能夠多次短時過載穩定工作。

永磁同步伺服電機既是伺服系統中的動力部件，又是控制部件，是機電伺服系統的核心組成之一。相對于伺服系統用其它功能部件，使用環境最為惡劣。電機作為動力部件，散熱措施實施困難，且自身發熱，尤其是短時大負載工作過程中，熱量快速積聚使電機內部溫升更高。伺服電機溫度超過180 ℃會出現新的技術難題[1]，常規電機絕緣材料和絕緣處理工藝將無法滿足要求，因此以轉速7000 r/min，功率級別為6 kW的伺服電機為例，對高過載高可靠伺服電機關鍵技術進行研究，進一步優化改進電機性能。

1 關鍵技術

1.1 高過載設計關鍵技術

過載能力反映了電機的極限輸出性能，電機過載能力越高，極限輸出能力越大，電機性能發揮越好。為提高電機過載能力，本文主要從降低定子鐵芯飽和度、控制工作溫升兩個方面進行設計。

隨著定子鐵芯磁飽和程度增加，鐵芯磁導率降低，氣隙磁密增長呈非線性，影響轉矩輸出。從電磁參數設計方面，增加鐵芯齒部和軛部寬度來降低鐵芯飽和程度，從而減弱磁路非線性和鐵芯損耗帶來的影響，在一定范圍內，提高電機的極限輸出能力。

電機高過載時損耗主要是銅損，當電流不受限制，發熱允許，且鐵芯磁密出現較高飽和時，電機出力達到極限。由于繞組端部為電機溫升最高部位，控制電機溫升主要是控制繞組部分溫升。電機定子繞組采用灌封結構后，更有利于將電機繞組溫度導出，控制電機溫升，提高過載能力。

1.2 高可靠絕緣設計關鍵技術

高溫是導致定子絕緣可靠性降低的主要因素。高過載永磁同步伺服電機，轉矩大電流大，定子繞組端部發熱量大，溫升高。絕緣材料的極限工作溫度就是電機運行時繞組絕緣允許最高溫度。因此設計定子時槽絕緣、層絕緣可選用H級絕緣材料，繞組可選用C級漆包線，絕緣漆可選用H級有機硅浸漬漆，灌封材料可選用導熱系數為2 W/(m·K)的新型高導熱灌封材料。

1.3 耐高溫設計關鍵技術

伺服電機要實現穩定工作，需降低電機溫升。電機的損耗大小直接決定了電機內部熱源的大小[2]。降低電機溫度可通過減小電機銅、鐵損耗和快速散熱兩個方面進行設計。選擇磁滯、渦流損耗系數更小的鐵磁材料，適當地減小匝數、加大線徑、提高槽滿率、增加并繞根數，在一定程度上減小電機的銅、鐵損耗，從而從根源上降低電機各部分的溫度。快速散熱通過繞組端部灌封結構設計，將熱量有效地傳遞到殼體，起到快速散熱的效果，避免過多的熱量積存，降低電機整體溫度，延長電機工作時間。

2 方案設計

永磁同步伺服電機由轉子、定子、端蓋組件、旋轉變壓器等部分組成，如圖1所示。電機由驅動控制器供電驅動，電機轉子由永磁材料與導磁材料組成，產生氣隙中磁場，當電機定子繞組通過三相交流電流時定子旋轉磁場與轉子永磁體產生的氣隙磁場，相互作用產生轉矩，帶動轉子旋轉，轉子拖動負載輸出機械功率，實現電能轉換成機械能。位置傳感器采用旋轉變壓器。

圖1 伺服電機三維剖面圖Fig.1 Three-dimensional Chart of Servo Motor

2.1 技術指標

高過載高可靠永磁同步伺服電機多個工況點近似歸納為5個，伺服電機技術指標要求如表1所示。

表1 電機技術指標要求Tab.1 The Request of Technique Index

2.2 電磁設計

在電磁設計時，根據電機運行工況特點，采用ANSOFT軟件建立電機仿真計算模型[3]，進行方案設計。針對伺服電機運行的5個工況點，首先從“路”的理念出發，設計電機磁路，進行快速的電磁磁路計算，然后通過二維有限元仿真進行詳細設計。

以轉矩最大工況點為例，伺服電機二維有限元仿真結果如圖2、圖3所示。

圖2 轉速、轉矩仿真結果Fig.2 The Simulation Results of Speed and Torque

圖3 磁感應強度分布Fig.3 Flux Density Distribution

仿真結果：轉矩為22.06 N·m，轉速為1000 r/m，相電流有效值為71 A。最大轉矩點時，定子鐵心齒部最大磁感應強度為1.95 T，為高度飽和，定子軛部最大磁感應強度為1.78 T，接近飽和。

2.3 溫度場分析

根據電磁計算結果中繞組銅耗、鐵耗、摩擦損耗等參數，對伺服電機雜散損耗和表面散熱進行估計。建立電機三維模型后導入到ANSYS WORKBENCH中，進行材料設置、網格剖分、載荷計算和施加，起始溫度設置等必要的前期處理，利用ANSYS軟件中熱分析計算模塊對模擬實際環境下伺服電機工作狀態進行發熱估算[4～6]。

未灌封電機和灌封電機處于大氣環境下，設定初始溫度和環境溫度為25 ℃，熱載荷為電機各部分損耗，工作過程中存在自然對流散熱。電機按表2負載力矩、速度及工作時間要求進行仿真。

表2 溫升實驗工況Tab.2 Experimental Condition of Temperature Rise

未灌封電機工作550 s時溫度分布如圖4所示，繞組端部、機殼緊定螺釘和端蓋端面整個工作過程溫度曲線如圖5所示；灌封電機工作550 s時溫度分布如圖6所示，繞組端部、機殼緊定螺釘和端蓋端面整個工作過程溫度曲線如圖7所示。

圖4 未灌封電機溫度場分布Fig.4 Temperature Field Distribution of the Unpotted Motor

圖5 電機溫升曲線Fig.5 Temperature Rise Curve of the Unpotted Motor

圖6 灌封電機溫度場分布Fig.6 Temperature Field Distribution of the Potting Motor

圖7 電機溫升曲線Fig.7 Temperature Rise Curve of the Potting Motor

從以上仿真結果可以看出，電機發熱最嚴重部位為繞組端部。灌封的電機與未灌封電機相比，按表2要求運行整個過程中溫度最高部位繞組溫度從151 ℃降低到109 ℃，降低了42 ℃，灌封效果良好。

2.4 結構強度分析

伺服電機結構強度分析主要對軸強度進行分析。

伺服電機轉軸的材料為2Cr13，調質處理32～38 HRC，最小抗拉強度σb=635 MPa。

在ANSYS Workbench環境下，設定轉速為1000 r/min，轉子花鍵施加1.5倍外負載，即33 N·m扭矩，對軸承安裝面施加圓柱形約束[7]，電機軸受力情況如圖8所示。

圖8 轉子軸強度有限元分析Fig.8 Finite Element Analysis of Rotor Shaft Strength

由圖8可見，33 N·m轉矩作用下，轉子軸最大受力部位為平鍵鍵槽底部σfea=171.42 MPa，剩余安全系數為3。能夠覆蓋所提出的工況指標，電機軸有足夠強度保證傳遞各工況下的扭矩，保證電機能夠可靠工作。

3 試驗結果

3.1 電機電磁分析及實測結果

電機電磁計算及實測結果如表3所示。

表3 電機電磁計算及實測結果Tab.3 The Results of Electromagnetic Design and Measure

由表3可以看出實測值與仿真值基本一致，滿足設計要求。

3.2 溫升試驗

本文采用未灌封、灌封2臺電機進行溫升試驗驗證[8]，試驗測試平臺如圖9所示。溫升試驗工況按表2要求進行，繞組溫升采用熱敏電阻測溫原理，通過記錄電阻取相應溫度值，電機殼體緊定螺釘處和端蓋端部溫升采用熱電偶溫度傳感器測量溫度。

圖9 電機溫升實驗測試平臺Fig.9 The Test Platform of Motor Temperature Rise Experiment

電機整個工作過程中，未灌封電機與灌封電機溫升曲線分別如圖10、圖11所示。

圖10 未灌封電機溫升曲線Fig.10 Temperature Rise Curve of the Unpotted Motor

圖11 灌封電機溫升曲線Fig.11 Temperature Rise Curve of the Potting Motor

由圖10、圖11可知，電機按表2要求工作550 s后，未灌封電機最高溫升達161 ℃，灌封電機最高溫升達123 ℃，灌封電機最高溫升比未灌封電機低38 ℃，與仿真結果基本一致。可見，仿真結果具有一定的參考意義。

4 結束語

本文對航天伺服系統用高過載高可靠伺服電機進行了關鍵技術研究，研究了有限空間尺寸限制下高過載需求；預定用途工作時間內，工作發熱的安全性和可靠性；以及在嚴酷的工作環境下如何降低繞組發熱的問題。綜合應用電磁場、溫度場、結構場等有限元分析技術，與試驗結果對比，證明電機實測值與仿真結果非常吻合；采用了耐高溫絕緣材料、灌封材料等新產品和新技術，解決上述問題，提高電機性能，保證電機能夠高過載高可靠運行。