工業(yè)縫紉機(jī)用永磁伺服電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

曹 翼

( 上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司 上海 200063 )

工業(yè)縫紉機(jī)用永磁伺服電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

曹 翼

( 上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司 上海 200063 )

針對(duì)一款工業(yè)縫紉機(jī)用永磁伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，提出設(shè)計(jì)注意要點(diǎn)和方法，在此基礎(chǔ)上使用有限元軟件對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出設(shè)計(jì)方案，完成試驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)性能符合技術(shù)要求且仿真數(shù)據(jù)與樣機(jī)測(cè)試結(jié)果基本吻合。

永磁伺服電機(jī) 電磁設(shè)計(jì) 有限元仿真 樣機(jī)試驗(yàn)

0 引言

目前，大部分工業(yè)縫紉機(jī)使用的動(dòng)力為單相、三相交流異步電動(dòng)機(jī)，一般只有一種加工速度，難以適應(yīng)各種服裝布料的加工要求，運(yùn)行效率和功率因素較低，耗電量較大。從提高加工質(zhì)量和加工效率以及節(jié)約能源等方面考慮，將永磁伺服電機(jī)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)縫紉機(jī)中，可以收到令人滿意的效果。

隨著永磁伺服技術(shù)的迅速發(fā)展，采用高性能永磁伺服電機(jī)為執(zhí)行動(dòng)力的永磁控制系統(tǒng)，由于其重量輕、體積小、效率和功率因素高、可靠性強(qiáng)，在工業(yè)縫紉機(jī)產(chǎn)業(yè)受到廣泛關(guān)注，成為研究的熱點(diǎn)。我國(guó)高性能縫紉機(jī)的核心技術(shù)市場(chǎng)長(zhǎng)期被國(guó)外企業(yè)占領(lǐng)，尤其在永磁伺服電機(jī)方面，國(guó)內(nèi)以引進(jìn)仿制為主，缺少真正適合用戶要求和滿足市場(chǎng)應(yīng)用的產(chǎn)品，因此高性能的工業(yè)縫紉機(jī)用永磁伺服電機(jī)也是目前國(guó)內(nèi)永磁電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)之一。

本文主要針對(duì)市場(chǎng)上一款用量較大的工業(yè)縫紉機(jī)用永磁伺服電機(jī)設(shè)計(jì)需求，利用有限元分析軟件按照設(shè)計(jì)指標(biāo)，給出了一種高性能、低成本的設(shè)計(jì)方案，并開(kāi)發(fā)了試驗(yàn)樣機(jī)；經(jīng)過(guò)相關(guān)性能測(cè)試，與占據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)較大份額的某進(jìn)口國(guó)外同型號(hào)電機(jī)相比，主要機(jī)械特性和溫升水平基本接近，較好的滿足了工業(yè)縫紉機(jī)用永磁伺服電機(jī)的市場(chǎng)發(fā)展需求。

1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1優(yōu)化性設(shè)計(jì)問(wèn)題

在永磁電機(jī)的經(jīng)典磁路分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路與電機(jī)有限元場(chǎng)路耦合動(dòng)態(tài)仿真、電磁性能校核；對(duì)飽和情況下的電機(jī)電樞反應(yīng)磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)對(duì)電抗、電阻類參數(shù)的精確計(jì)算，建立非線性永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合矢量控制理論對(duì)工業(yè)縫紉機(jī)用永磁伺服電機(jī)的控制策略方案進(jìn)行仿真，以滿足穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速需求，并提高系統(tǒng)效率。

1.2轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)性問(wèn)題

關(guān)注永磁伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和反電動(dòng)勢(shì)波形正弦畸變率問(wèn)題，通過(guò)電機(jī)極槽配合的選擇，如使用分?jǐn)?shù)槽繞組等，提高齒槽轉(zhuǎn)矩的諧波次數(shù)，不僅降低其幅值，并且可以提高定子繞組的利用率；優(yōu)化永磁體的形狀和偏心距，使永磁電機(jī)的空載氣隙磁密和反電動(dòng)勢(shì)趨近正弦，一方面減少了氣隙磁場(chǎng)中的諧波含量，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；另一方面在保證性能的前提下，減少永磁材料的用量。

1.3退磁性問(wèn)題

導(dǎo)致永磁電機(jī)的永磁體出現(xiàn)不可逆退磁的主要因素有長(zhǎng)時(shí)間高溫下工作和三相短路時(shí)定子電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)退磁磁場(chǎng)，出現(xiàn)不可逆退磁最嚴(yán)重的情況是高溫條件下電機(jī)定子繞組突然短路.在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，必須校核電機(jī)的最大去磁工作點(diǎn)，使其在最高工作溫度下永磁材料的退磁曲線的拐點(diǎn)以上，以增強(qiáng)其運(yùn)行可靠性。在此基礎(chǔ)上，使用有限元分析方法，優(yōu)化永磁體形狀和磁化方向長(zhǎng)度，以減少永磁材料的用量，降低成本。

1.4密封防護(hù)性問(wèn)題

為防止永磁體對(duì)鐵屑、塵埃等雜質(zhì)的吸附作用，使用全封閉結(jié)構(gòu)。避免雜質(zhì)進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，從而提高電機(jī)的可靠性，并減少電機(jī)的維護(hù)工作量；為保護(hù)永磁體材料，可以在其表面采用涂敷處理或者電鍍處理，以提高永磁電機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性。

1.5工藝制造性問(wèn)題

為了減少氣隙磁密的諧波含量，并方便定子嵌線工藝的自動(dòng)化生產(chǎn)，使用雙層繞組型式，并選擇繞組第一節(jié)距為1。在提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的同時(shí)，使繞組端部較短，節(jié)約銅線用量，降低損耗。

2 方案設(shè)計(jì)和有限元磁場(chǎng)仿真

2.1方案設(shè)計(jì)

電機(jī)技術(shù)要求如表1所示。根據(jù)指標(biāo)要求，采用經(jīng)典解析法對(duì)永磁伺服電機(jī)進(jìn)行了初步的電磁設(shè)計(jì)，對(duì)電磁方案進(jìn)行了有限元仿真。有限元分析計(jì)算是模擬電機(jī)的瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，可較為準(zhǔn)確的計(jì)算電壓波形、電流波形、轉(zhuǎn)矩狀態(tài)、損耗等。本文采用8極12槽電機(jī)的單元電機(jī)1/4 模型，利用周期性邊界條件簡(jiǎn)化計(jì)算模型。建立一個(gè)單元電機(jī)下2D電磁場(chǎng)仿真模型如圖1所示。

表1 工業(yè)縫紉機(jī)用永磁伺服電機(jī)主要技術(shù)要求

圖1 電機(jī)2D有限元模型

2.2有限元磁場(chǎng)仿真

1）在一個(gè)周期內(nèi)，對(duì)永磁電機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行了計(jì)算，三相空載相反電動(dòng)勢(shì)如圖2所示，經(jīng)對(duì)波形的傅里葉分解，空載相電動(dòng)勢(shì)正弦波形畸變率為0.22%。圖3為空載磁場(chǎng)云圖，可以看出關(guān)于電機(jī)內(nèi)各部分磁密都在正常范圍內(nèi)，其中齒部和軛部都在硅鋼片飽和拐點(diǎn)以下，保證了鐵芯損耗不會(huì)過(guò)大，在齒根部位部分位置有較大磁密值出現(xiàn)也保證了材料得到充分利用。

圖2 空載反電動(dòng)勢(shì)波形圖

圖3 空載磁場(chǎng)云圖

圖4 空載磁場(chǎng)磁力線圖

圖5 齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖

2）在一個(gè)齒槽轉(zhuǎn)矩周期內(nèi)進(jìn)行了齒槽轉(zhuǎn)矩的計(jì)算，如圖5所示，經(jīng)計(jì)算齒槽轉(zhuǎn)矩僅占額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩的1.1%，表明在永磁體形狀優(yōu)化和偏心設(shè)計(jì)的情況下，不僅使空載反電動(dòng)勢(shì)波形得到優(yōu)化，而且使齒槽轉(zhuǎn)矩幅值得到明顯降低，這將使電機(jī)在負(fù)載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯減小，運(yùn)行平穩(wěn)。

3）接入外電路后，給電機(jī)的輸入源設(shè)置功角，并將負(fù)載設(shè)定為額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩，對(duì)電機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了仿真計(jì)算，如圖6所示，此時(shí)電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩為3.45 N·m，滿足設(shè)計(jì)要求；經(jīng)計(jì)算，此時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率只有2%，說(shuō)明電機(jī)在額定狀態(tài)下，具有良好的輸出特性。負(fù)載情況下，電機(jī)內(nèi)部各部分磁密也在正常范圍之內(nèi)，磁密云圖如圖7所示。

圖6 額定負(fù)載輸出電磁轉(zhuǎn)矩圖

圖7 額定負(fù)載磁場(chǎng)云圖

4）施加3倍的額定電流作用在定子繞組上，并使定子電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，即此時(shí)定子電流用來(lái)產(chǎn)生去磁的電樞反應(yīng)。計(jì)算此時(shí)永磁體各部位的磁場(chǎng)分布。從圖8可以看出永磁體各點(diǎn)的磁密值都高于退磁曲線拐點(diǎn)處的磁密值，保證了永磁體最大去磁工作點(diǎn)在永磁體的退磁曲線拐點(diǎn)以上，且有一定的安全裕量，直接提高了電機(jī)工作的可靠性。

圖8 退磁磁場(chǎng)計(jì)算云圖

經(jīng)空載、負(fù)載等不同運(yùn)行情況的磁場(chǎng)分析和計(jì)算，通過(guò)電機(jī)定轉(zhuǎn)子各部件尺寸的優(yōu)化，得到了較為正弦的反電動(dòng)勢(shì)波形，并大大降低了齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值，使電機(jī)的運(yùn)行性能得到保證，基本滿足了工業(yè)縫紉機(jī)用永磁伺服電機(jī)設(shè)計(jì)需求；經(jīng)退磁磁場(chǎng)計(jì)算后，優(yōu)化磁鋼的尺寸，在保證可靠性的前提下，減少永磁體用量，降低了電機(jī)的制造成本。通過(guò)上述的分析和計(jì)算，得到了一個(gè)具有較高性能和較低成本的永磁伺服電機(jī)方案。

3 試驗(yàn)樣機(jī)性能測(cè)試

按上述方案進(jìn)行了樣機(jī)的制作，樣機(jī)主要部件如圖9、圖10所示。需要指出的是：在電機(jī)轉(zhuǎn)子軛部鐵芯的制造過(guò)程中，尺寸略有修改，但調(diào)整幅度較小，且其軛部磁密取值也較低，因此對(duì)電機(jī)的性能幾乎沒(méi)有影響。

圖9 下線后定子鐵芯

圖10 包塑處理后轉(zhuǎn)子鐵芯

樣機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)量的反電動(dòng)勢(shì)如圖11所示，可以明顯看出，3相空載反電動(dòng)勢(shì)正弦波形質(zhì)量良好，諧波含量較少，與有限元分析的結(jié)果接近；圖12為額定運(yùn)行時(shí)某一相電流波形，從電流波形和幅值大小可以看出本樣機(jī)具有良好的控制性能，電流正弦度也很高，且有效值與計(jì)算數(shù)據(jù)基本相同。

圖11 三相空載反電動(dòng)勢(shì)波形

圖12 某一相電機(jī)電流波形

在環(huán)境溫度為28.3℃，電機(jī)自然冷卻情況下，使用同樣的控制驅(qū)動(dòng)器對(duì)樣機(jī)和某國(guó)外同型號(hào)電機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行了性能對(duì)比測(cè)試，主要結(jié)果如下：

3.1機(jī)械輸出特性測(cè)試

此試驗(yàn)主要是檢測(cè)在不同轉(zhuǎn)速下，施加不同電流和功率角后，檢測(cè)電機(jī)的輸出力矩能力。轉(zhuǎn)速在800 r/m時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩最大給到4 N·m。試驗(yàn)過(guò)程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩輸出平穩(wěn)，調(diào)速精度較高，響應(yīng)靈敏。

上半年來(lái)，全球經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)復(fù)蘇，發(fā)達(dá)國(guó)家失業(yè)率持續(xù)下降，歐美經(jīng)濟(jì)保持了增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，但復(fù)蘇基礎(chǔ)并不穩(wěn)固，復(fù)蘇節(jié)奏也不均衡，歐元區(qū)經(jīng)濟(jì)增速放緩，新興市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)動(dòng)蕩加劇(見(jiàn)表1)。

圖13 某國(guó)外電機(jī)機(jī)械特性曲線

圖14 試驗(yàn)樣機(jī)機(jī)械特性曲線

3.2溫升水平測(cè)試

圖15 某國(guó)外電機(jī)溫度上升曲線

圖16 試驗(yàn)樣機(jī)溫度上升曲線

1）在額定功率（250 W）和額定轉(zhuǎn)速（700 r/m）運(yùn)行狀態(tài)下，試驗(yàn)樣機(jī)的系統(tǒng)效率為60.8%（系統(tǒng)效率=電機(jī)轉(zhuǎn)軸輸出機(jī)械功率/控制器輸入功率，下同）；某國(guó)外產(chǎn)品系統(tǒng)效率為62.2%，兩者基本接近。

2）在不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍內(nèi)（200 r/m～800 r/m）和不同轉(zhuǎn)矩（1 N·m～4 N·m）運(yùn)行范圍內(nèi)具有基本相當(dāng)?shù)妮敵龉β誓芰?，但在超過(guò)額定功率后，試驗(yàn)樣機(jī)的過(guò)載能力略小于國(guó)外電機(jī)。從輸出機(jī)械特性曲線上可看出，轉(zhuǎn)速為800 r/m時(shí)，國(guó)外電機(jī)的轉(zhuǎn)矩可達(dá)4 N·m，而試驗(yàn)樣機(jī)達(dá)到3.78 N·m，相差近7%。

3）額定輸出時(shí)，電機(jī)在40 min后溫升達(dá)到穩(wěn)定。試驗(yàn)樣機(jī)表面最高溫度為92.5℃，國(guó)外電機(jī)表面最高溫度為91.6℃，兩者溫升基本相當(dāng)。

4 結(jié)語(yǔ)

比照計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)方案基本滿足了指標(biāo)要求；在方案的設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)反復(fù)分析和驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)有限元分析結(jié)果對(duì)所使用材料的特性曲線依賴性較強(qiáng)，仿真結(jié)果的正確性與模型的網(wǎng)格剖分也息息相關(guān)，這些因素對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性都有很大影響。在磁場(chǎng)分析中的主要影響因素和次要影響因素需要在電機(jī)方案設(shè)計(jì)中仔細(xì)進(jìn)行分析取舍，在不影響結(jié)果正確性的前提下忽略次要因素和簡(jiǎn)化模型將使求解過(guò)程簡(jiǎn)單、高效。

運(yùn)用場(chǎng)路結(jié)合的分析方法是解決具有嚴(yán)重局部飽和、氣隙磁場(chǎng)諧波含量豐富等特點(diǎn)的永磁伺服電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的有效手段，并能直觀的幫助解決齒槽轉(zhuǎn)矩過(guò)大、磁場(chǎng)正弦分布等不易優(yōu)化的難題。通過(guò)電機(jī)參數(shù)的確定以及樣機(jī)的試制、試驗(yàn)，結(jié)合其與國(guó)外產(chǎn)品的性能比較，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的實(shí)用性和可靠性。理論設(shè)計(jì)、仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，取得了令人滿意的效果。

與某國(guó)外產(chǎn)品相比，本方案在制造成本上具有較大優(yōu)勢(shì)，在效率和溫升水平上與之基本相當(dāng)，是一種具有良好性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)方案。但是在轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力上，與國(guó)外產(chǎn)品還有一定差距，需要我們進(jìn)一步研究，以開(kāi)發(fā)出在性能上達(dá)到并超過(guò)國(guó)外水平的電機(jī)產(chǎn)品。

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Optimization Design of Permanent Magnet Servo Motor For Industrial Sewing Machine

Cao Yi
(Shanghai Engineering Research Center of Motor System Energy Saving Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

For a sewing machine design specifications of permanent magnet servo motor, this paper proposes design methods and main points of design, on the basis of the motor is optimized using the finite element software, presents a design scheme for high performance and low cost；And the development experimental prototype, the performance of the prototype meets the technical requirements and simulation; Data and prototype test results are basically consistent, verifies the validity of the design method; Compared with a foreign products of the same type, the main force index approach.

Permanent magnet servo motor Electromagnetism design Finite element simulation Prototype test

TM302

A

1674-2796（2014）02-0011-06

2014-02-15

曹翼（1984-），男，碩士研究生，主要從事永磁電機(jī)、特種電機(jī)電磁場(chǎng)計(jì)算和設(shè)計(jì)等工作。