基于磁路優化的伺服電機制動轉矩提高方法研究

劉 娜 鐘成堡1, 陳飛龍1, 楊文德1,

（1.廣東省高性能伺服系統企業重點實驗室 珠海 519070；2.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519000）

引言

隨著智能裝備制造的發展，機器人和自動化生產等應用領域對伺服電機的體積和制動轉矩等性能提出越來越高的要求。

保持制動器是用于保證伺服電機掉電時能夠使電機保持制動的關鍵部件。為了提高制動器輸出轉矩，國內外眾多專家學者和工程技術人員都做了許多相關的研究。文獻[ 1 ] 提出一種采用多個勵磁線圈均勻布置進而產生多個磁極的激勵方式來提高制動器輸出轉矩的方法。文獻[ 2 ]提出一種利用動能慣性來實現發電回饋制動的方法，最終實現電動汽車需降速或下坡運行時的制動操作，經過理論分析驗證了該方法的可行性。文獻[3]提出一種混合制動器結構參數的匹配設計方法，通過建立混合制動器的數學模型和仿真驗證，證明了該方法的可性。文獻[4]提出了一種低速能量回饋制動的控制方法，通過計算機仿真和樣機實驗驗證了采用該控制方法的可行性，最終實現電動汽車的低速電氣回饋制動。文獻[5]提出一種通過在電路中增設功率開關管使制動時電樞并聯的停車制動方法，分析了制動電路的特點和設定電路參數，最終通過測試驗證了該方法的可行性。文獻[6]在建立電磁與摩擦集成制動模型的基礎上，根據電磁制動與電子液壓制動各自制動控制特性，提出了電磁與摩擦集成制動系統防抱死制動分層協調控制方法。最終通過理論分析與實驗驗證了該方法的可行性。以上文獻介紹眾多通過改變勵磁方式、采用慣性回饋制動、低速能量回饋制動、驅動電路制動模塊設計和電磁機械集成制動設計的方法來提高制動器性能，增大制動器輸出轉矩。本文通過磁場密度分析及磁路優化，提出制動器定子磁軛底部凸起結構設計和動子磁軛與輪轂耦合設計的方法，進而提高制動器輸出轉矩。

本文首先從電機制動器的電磁力和輸出轉矩表達式分析出制動器的磁阻是影響其電磁力及輸出轉矩的關鍵因素。對制動器磁路與磁阻進行了理論分析。然后采用maxwell 3D仿真方法分析出制動器定子磁軛底部內徑與外徑中間環形位置磁場的飽和引起了定子磁軛磁阻的大幅增大。同時發現動子磁軛靠近轉動輪轂側內環位置磁密較小，磁利用率較低。最終通過磁路優化，提出了定子磁軛凸起結構設計和動子磁軛與輪轂耦合設計方法。仿真和實驗結果表明，此方法對伺服電機制動器輸出轉矩有明顯的提高作用。

1 電機制動器電磁力及輸出轉矩解析分析

制動器是伺服電機用于保持制動的關鍵部件，裝配于伺服電機內部，圖1為伺服電機剖面圖，其中虛線部分為制動器部件。制動器由定子磁軛、繞組、動子磁軛、彈簧、轉動輪轂和摩擦片等構成。

圖1 伺服電機剖面示意圖

定子磁軛裝配于電機端蓋上，轉動輪轂與摩擦片固定一體通過連接鍵和膠與電機軸連接。彈簧在定子磁軛與動子磁軛間提供制動推力將動子磁軛與摩擦片完全貼合。當制動器繞組不通電時為制動器保持制動狀態，此時摩擦片與動子磁軛間的摩擦轉矩為電機制動器的輸出轉矩。

根據機械原理，制動器輸出轉矩公式如下：

式中：

T—電機制動轉矩；

F—制動器彈簧力；

R—制動器摩擦片與轉軸中心的半徑。

制動器解除制動狀態工作時，要求制動器動子磁軛與摩擦片脫離，使轉動輪轂能夠隨電機軸自由旋轉。制動器解除制動工作時繞組需要處于通電的狀態。制動器定子磁軛、繞組和動子磁軛為磁場元件，在繞組通電時定子磁軛與動子磁軛間產生的電磁吸力克服彈簧制動力最終使動子磁軛與摩擦片脫離實現制動解除。

若需設計更大的制動轉矩，在R不變的情況下則需設計更大的彈簧力F，同時為了使制動器解除制動工況同步得到保證，制動器電磁力也需要同步加大。

根據電磁力定義同時結合電機制動器結構特點可得如下電磁力計算公式：

式中：

FM—制動器電磁力；

N—制動器繞組匝數；

I—繞組電流；

R—制動器磁阻；

S—定子磁軛朝向動子磁軛側內環與外環的截面積；

μ0—空氣磁導率。

從理論分析可知，電機制動器的磁阻是影響其電磁力及輸出轉矩的關鍵因素。通過降低磁阻可以提高電機制動器的電磁力和輸出轉矩。

2 制動器磁路與磁阻理論分析

制動器繞組產生磁動勢，若忽略漏磁的影響，其磁通路徑為：定子磁軛底部→定子磁軛外環→定子與動子間空氣隙→動子磁軛→動子與定子間空氣隙→定子磁軛內環，如圖2所示。

圖2 制動器磁路分析圖

若忽略漏磁的影響，制動器磁阻主要由三部分構成，定子與動子間的氣隙磁阻、定子磁軛磁阻和動子磁軛磁阻。

氣隙長度越小其磁阻越小，氣隙長度設計原則是在尺寸鏈公差帶范圍內定子和動子不會干涉的最小值。

定子磁軛和動子磁軛由鐵磁材料構成，其磁阻主要由定子和動子磁軛的磁密飽和情況和磁路結構形狀等決定。

本文主要針對制動器磁路結構進行優化，最終實現制動器電磁力和輸出轉矩的最優設計。

3 制動器定子磁軛磁場分析與磁路優化

制動器仿真模型主要參數如表1所示。

表1 模型主要參數（單位：mm）

本文采用maxwell 3D仿真方法對制動器的磁場及電磁力進行分析。

傳統結構制動器三維仿真磁密云圖如圖3所示。從仿真結果可以看出，定子磁軛底部內徑與外徑中間環形區域磁密高達1.9 T，已達到磁場飽和。該位置磁阻較大。

圖3 傳統結構制動器3D仿真磁密云圖

本文對制動器定子磁軛底部磁路結構進行優化。磁軛底部設計環形凸起結構，凸起結構位于磁飽和的定子磁軛底部轉角位置，凸起結構能夠增大磁飽和區域的磁路截面積，進而能夠降低制動器磁阻。

采用改進結構的制動器仿真磁密云圖如圖4所示。從圖中可以看出，原本磁飽和位置的磁密已經降低至（0.6～1.5）T，降低至磁飽和點以下。

圖4 改進結構制動器3D仿真磁密云圖

制動器定子磁軛底部凸起結構使用前后磁密分布對比示意圖如圖5所示。

圖5 改進前后定子磁軛磁密分布對比示意圖

定子磁軛底部設計環形凸起結構能夠解決磁軛底部磁密飽和的問題，大幅降低定子磁軛磁阻，采用此結構的制動器電磁力從原來的1.96 kN提高至2.47 kN，提高了26.3 %。電磁力仿真對比如圖6所示。

圖6 改善前后電磁力仿真曲線

采用該凸起結構方案的制動器電流和電壓工作曲線如圖7所示，吸引時間為5 ms，比原方案吸引時間縮短28.5 %，證明此結構也同時提高了制動器的響應性。

圖7 制動器電流電壓仿真曲線

4 制動器動子磁軛磁場分析與結構優化

4.1 動子磁軛與輪轂配合設計

通過制動器磁場仿真發現動子磁軛靠近轉動輪轂側靠近內環的位置磁密較小，磁利用率較低。如圖8所示。

圖8 動子磁軛磁密分布示意圖

本文對動子磁軛和轉動輪轂進行耦合優化設計。制動器動子磁軛臨近轉動輪轂面設計凹槽結構，凹槽外徑為a，深度為f。轉動輪轂臨近制動器動子磁軛面設計凸起結構。制動器動子磁軛凹槽結構能夠容納制動器轉動輪轂的凸起結構，凹槽與凸起結構無干涉，如圖9所示。

圖9 動子磁軛和轉動輪轂耦合設計示意圖

制動器轉動輪轂設計有鍵槽用于鍵的安裝，鍵的最大長度W等于輪轂厚度，連接鍵需要承受來自制動器輪轂與轉軸間的制動應力，其應力要求如表2所示。所以鍵需要滿足一定長度使其應力小于材料許用最大應力。

表2 鍵連接的許用應力（單位：MPa）

動子磁軛凹槽結構能夠使轉動輪轂鍵的安裝結構部分伸入動子磁軛軸向空間。在電機長度不變的情況下鍵的長度得到加長，鍵的加長使制動器設計輸出轉矩得到增大。

4.2 動子磁軛凹槽結構優化設計

制動器動子磁軛凹槽對制動器輸出轉矩的影響與整個磁路系統結構有關，制動器定子磁軛和制動器動子磁軛的結構尺寸均會影響磁場密度分布，在凹槽尺寸一定時，不同的制動器定子磁軛和制動器動子磁軛結構對應的制動器輸出轉矩會有很大波動。

制動器輸出電磁力主要與Ф1、W1和W2等參數相關。經過仿真分析，制動轉矩與a/Ф1和（W1-f）/W2的變化關系如圖10所示。其中T代表動子磁軛開槽后制動器輸出轉矩，T0代表開槽前輸出轉矩，縱坐標T/T0代表開槽前后兩者之間的比例系數。

圖10 制動轉矩與a/Ф1和（W1-f）/W2的變化關系

從仿真數據得出結論：當a≤Ф1時凹槽結構對制動器輸出轉矩基本無影響，當a＞Ф1時制動器輸出轉矩顯著降低。當（W1-f）/W2≥ 0.7時凹槽結構對制動器輸出轉矩基本無影響，當（W1-f）/W2＜ 0.7時制動器輸出轉矩顯著降低。

所以動子磁軛凹槽結構尺寸滿足a≤R1且（W1-f）/W2≥ 0.7時為最佳設計。

此方法能夠在制動器和電機長度不變的情況下，制動鍵可以設計更長，制動器輸出轉矩得到大幅提高。

5 實驗測試與結果分析

將電機安裝在制動轉矩測試臺上，采用扭矩傳感器對電機制動轉矩進行測試，得到結果如圖11。

圖11 制動轉矩測試曲線

實測電機制動轉矩為1.28 N.m，相比改進設計前輸出轉矩提高15.7 %，性能得到大幅提升。

6 總結

本文提出一種伺服電機制動轉矩提高方法。推導了電機制動器電磁力及輸出轉矩解析式，對制動器磁路與磁阻進行了理論分析。同時使用有限元軟件Maxwell建立了理想的制動器三維模型并對其磁密分布進行了分析。通過磁路優化，提出一種定子磁軛凸起結構設計和動子磁軛與輪轂耦合設計方法，最終使電機制動器電磁力提高26.3 %，制動轉矩提高15.7 %。本文所提出的磁路優化方法對電機制動器輸出轉矩有明顯的提高作用，該方法可以為今后電機設計時磁場的優化提供參考。