基于高过载需求的永磁电机设计

徐伟栋

摘 要：本文基于笔者的试验，首先对永磁同步电机过载能力研究的基础方向进行了阐述，然后根据需求对基于高过载需求的永磁电机进行了设计。

关键词：工业机器人;高过载;永磁同步电机

一、序言

永磁电机的类型多种多样，被应用到了各种领域中。永磁同步电机作为一种过载能力强、功率密度高、转化效率高的新型永磁电机，其研究进度决定着我国相关产业的升级速度。以工业机器人行业为例，常规设计的永磁同步电机已经无法满足工业机器人行业越来越多样化的生产需求，所以继续对该行业的永磁同步电机设计进行优化和调整。本文正是基于此对工业机器人领域所需求得高过载永磁同步电机进行研究，希望能为相关产业的研究方向提供一些参考建议。

二、永磁同步电机过载能力研究

针对永磁同步电机的过载能力的研究可以分为四个方面：首先是针对永磁电机转矩的分析，相关研究证明，当向永磁同步电机的内部输入足够大的电流时，负载反电势的值就会非常接近母线电压。这就反过来使得输入的电流不能进一步增加，也就限制了输出的转矩，进而影响永磁同步电机的过载能力;其次针对转子结构对过载能力的研究，因为永磁电机内部的永磁体是不良导体，所以研究人员利用不良导体的特点来讲永磁体与转子铁芯相结合（置于表面），从而构成了一个音集电极的磁路结构，该磁路结构的交直轴电抗基本相等，但如果永磁体进入转子铁芯的内部，就会破坏交直轴电抗的平等关系，进而产生磁阻转矩;第三是针对定子内径大小进行研究，因为在外径不变的情况下，定子的内径决定了永磁体的有效面积，内径越大有效面积也越大，内径约小齿槽面积越大，进入提高了永磁电机的过载能力;最后是气隙长度的影响，气隙长度决定了电机的反电动势、气隙磁密和电感参数，气隙长度越大则磁路磁阻越大，电枢反应强度越弱，进而永磁电机的过载能力也随之增大。

三、基于高过载需求的永磁电机设计

1.设计要求

根据某工业机器人生产环境的实际需求，笔者将本次设计永磁电机的额定电流为6.2A，功率为1KW，峰值转速为6400r·min-1，峰值转矩为15.8N·m，控制器的输出电压为180V，额定转速为2900 r·min-1，额定转矩3.17 N·m，短时过载倍数为5倍。

2.主要尺寸

本次设计的永磁电机所参考的工业机器人大小适中，但是内部的关节点击安装空间较小，使得这次设计的定子外径也较为严格，根据实际调查，笔者认为外径60mm，轴向长度70mm长度的外径能够符合本次设计的需求。

在极槽配合方面，经过相关仿真，笔者发现10极12槽电枢反应电抗最低，同时在空载、额定负载、五倍过载三种过载的情况下，其转矩波动均远远小于8极12槽和8极18槽，所以本次设计将极槽配合确定为10极12槽。

在定子裂比方面，因为定子裂比和气隙磁通量、定子绕组匝和电机过载倍数有着直接的关系，所以针对定子裂比的特性、绕组电阻的铜耗量和整体过在效率，笔者认为定子裂比为2时其各项参数与性能相对最优。

在永磁体设计方面，本设计将选择牌号N38UH的钦铁硼材料作为永磁体。由前文分析，由于本文所设计电机不采用弱磁控制，为防止过大的电枢反应电抗影响电机的过载能力，将采用表贴式转子结构。除了可以保证过载能力，表贴式转子结构安装简单，成本低，可通过对永磁体进行削角保证磁密波形正弦性，有效降低波动及电磁噪音。同时随着永磁体厚度增加，过载能力增强，效率降低，铁耗增加。永磁体厚度为3mm时，即可满足5倍过载的设计要求。为了节省永磁体用量，获得相对较高的效率和较低的铁耗，将永磁体厚度定为3mm。

在不等气隙长度优化方面，本文所设计电机为机器人用电机，对电机的转矩波动有一定的要求。为了进一步降低电机的转矩波动，对永磁体外圆进行了不等气隙优化处理，根据相关试验笔者可以断定，随着不等气隙比例的降低，永磁体涡流损耗以及输出转矩呈缓慢上升趋势。当不等气隙比例为1.2时，电机在空载、额定负载和5倍过载情况下的转矩波动较小，为此本文选定永磁体外圆不等气隙比例为1.2。

四、总结

总而言之，本文根据永磁同步电机的过载能力方向出发，对永磁电机的极槽配合、定子裂比、用题词设计和不等气隙长度优化四个方面对永磁同步电机进行了重新设计，让其能够满足当前工业机器人的工作环境和生产要求。根據后续的仿真模拟实验，笔者对本次设计的永磁同步电机进行了运行模拟，发现本次设计的电机不仅能够正常运行，同时过载能力也能达到传统电机的5倍左右，整体能力提升了50%。

参考文献

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