工業機器人用交流永磁同步伺服電動機設計分析

王 霖，胡 曉

（廣州數控設備有限公司，廣東 廣州 510530）

工業機器人主要包括本體、伺服系統、減速器、控制器四大關鍵部分，電機作為工業機器人伺服系統的關鍵零部件之一，已成為我國相關單位的研究熱點。如中科院電工所、新松機器人、廣州數控等有關單位相繼開展了對關節型工業機器人用電機的研究工作，其部分產品已在國產工業機器人中得到應用。本文設計交流永磁同步伺服電動機也是立足于自動生產線需求基礎上研發的，能適應相關系列的工業機器人配套使用。

1 機器人對電機的特殊要求

針對國產關節型工業機器人落后于國外、急需實現產品中高端化的需求，基于市場調研應用的常見工況作為基本工況，研究本體構件拓撲優化設計，探索負載自重比與整機剛度的優化平衡方法，考慮最大運動范圍、最大負載以及負載質心偏置影響的極限工況，提升機器人負載自重比，最終結合機器人的設計參數對電機的功率、重量與整機長度等設計參數提出了更高的需求，以實現機器人輕量化設計的目的。

2 電機主要設計參數

根據研究任務的要求，本文設計一款系列化工業機器人用電機，其主要設計參數如表1所示。

表1 電機主要參數設計

在電機設計過程中，借助有限元件經過詳細的理論分析，通過建模對影響電機性能的主要參數進行多次綜合分析與優化，最終確定了更為精準的解算結果，滿足機器人使用要求。

3 電機方案設計

本文的電機是專門為工業機器人的配套需求而開發設計，在設計中充分考慮實際生產工藝，特別是基于工業機器人基礎上構建的自動化生產線，力求通過工業機器人反哺應用于電機的生產，從而促進整個生產線的效率和產品質量，使得電機和工業機器人相得益彰。

3.1 電機的設計思路

工業機器人用電機中，制動器作為一種將轉子位置保持制動或緊急制動的有效機構，無勵磁型失電制動器就是其中一種。使用該類型制動器電機的設計方案中，制動器在軸向上的位置位于定子負荷側或反負荷側、與定子并列，因其結構、電機部件的尺寸問題，電機總體長度一般較長，進而會影響機械、設備的安裝尺寸。因此，從產品應用的行業及市場的反饋來看，均期望能夠針對電機的總體長度進行一定程度的優化。

為響應上述需求，在參考國外同類型電機性能參數和工業機器人用電機關鍵技術指標基礎上，結合自動化生產手段等因素，對電機各零件進行不斷試驗和優化，并進行整機的緊湊結構組合設計，最終設計出齒槽轉矩低、轉速平穩、體積小、過載能力好的電機。

3.2 電機的方案設計

為了克服電機現存的總體長度長、結構復雜、薄壁件加工難度大、成本高等技術的不足，本文設計的交流永磁同步電動機包括定子、轉子、端蓋、罩殼及無勵磁型失電制動器，其特征在于：轉子鐵芯固定設置于電機的轉軸上，無勵磁型失電制動器位于定子反負荷側與后端蓋之間，且至少一部分與定子繞組在徑向上重合；定子設置于轉子外周，定子外周、轉子側端及轉軸外周形成容納空間，容納空間可容納無勵磁型失電制動器的重合部分，定子繞組突出部最小內徑與無勵磁型失電制動器最大外徑間存在間隙，其軸向截面結構如圖1所示。

圖1 電機軸向截面結構示意圖

電機設計中，制動器為彈簧密閉式無勵磁失電制動器，位于電機定子反負荷側與后端蓋之間，從定子反負荷側至后端蓋以底板、制動器轉子、電樞板、制動器定子的順序排列。制動器裝配時，制動器轉子轂通過彈性擋圈及平鍵緊固至轉軸上，制動器裝配后，制動器轉子與制動器轉子轂處于間隙配合狀態，當制動器斷電時，通過彈簧對電樞板施加壓力，底板、電樞板與制動器轉子之間相互接觸產生的摩擦力使得制動器轉子轂處于制動狀態，進而使得轉子處于制動狀態。制動器裝配后，至少部分與定子繞組在徑向上重合，以實現電機整體長度在軸向上的薄型化。

本設計中，與電機徑向重合部分為底板、制動器轉子、制動器轉子轂和電樞板，徑向重合部分需保證定子繞組最小內徑與制動器最大外徑間存在一定間隙，并且制動器線圈及制動器定子位于定子繞組外側，不屬于電機徑向重合部分。

本方案設計的電機，整機長度較同功率下制動器后置的常規方案短30mm左右，重量輕0.5kg左右。

3.3 電機的設計驗證

使用Ansys Maxwell對電機磁路進行仿真建模，如圖2所示，通過調整轉子鐵芯錯極角度的手段，分析電機齒槽轉矩波動率，選擇最優方案，即齒槽轉矩峰峰值約8.9mN.m，如圖3所示，計算齒槽轉矩波動率約0.045%。

圖2 電機仿真模型

圖3 齒槽轉矩峰峰值曲線

確定基本磁路方案后，使用Workbench對轉子結構進行建模，分析轉子的振動頻譜變化特征，圖4為轉子臨界轉速的坎貝爾圖，在7200r/min左右時出現強烈振動，由此可知該方案的臨界轉速錯開了電機的使用轉速范圍。

圖4 轉子臨界轉速分析（未添加端部質量塊）

通過多次調整，將樣機依據測試標準《JBT 11991-2014工業機械數字控制系統用交流伺服電動機》規定的測試方法進行振動、噪聲、齒槽轉矩測試，實測數據如表2所示。

通過表2的測試數據可以看出，樣機在滿足輕量化工業機器人對電機重量、整機尺寸要求的基礎上，具有在輸出轉矩范圍內具備較低的齒槽轉矩波動率及振動、噪聲等特點。

表2 樣機測試數據對比

4 應用驗證

文述電機裝配的工業機器人在焊接、搬運、碼垛、食品3C、協作、教育等領域均有應用示范。目前廣州數控設備有限公司已經借助總線平臺實現對工業機器人、數控機床、自動傳送帶等集成，最終實現車間智能化管理。本次設計的電機用公司型式試驗測試平臺，并按照公司機器人測試標準《QGZSK 20-2019 RB系列搬運機器人》進行性能測試，包括對電機的空載、負載工作特性、溫升和噪聲等指標進行詳細測試和試驗，最終測試結果表明本次設計的工業機器人用交流永磁同步伺服電動機的各項性能良好，符合自動化生產線的需求。

如RB50工業搬運機器人是公司自主研發的產品，其4、5、6軸均使用了150SJTR系列電機，而應用RB50機器人的某公司空調壓縮機上下料生產線，1臺機器人在工作節拍及操作空間上可同時滿足2臺機床上下料的需求。

5 結束語

本文出于對工業機器人組建的自動化生產手段等因素考慮，在基于關鍵技術和性能要求的基礎上，設計的工業機器人用交流永磁同步伺服電動機。電機為三相交流永磁同步電動機，但是在不脫離技術構思的情況下，設計的實施方式不限于此，還可以結合不同的生產線要求做出其他多種形式的修改、替換或變更，為系列化設計及生產制造打下基礎。