工业机器人用永磁同步伺服电机设计与分析

发布时间：2017-04-15 13:14

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【摘要】：工业机器人取代传统人工劳动力已成为中国制造业转型发展的新趋势。我国已经成为最大的工业机器人市场,但高端机器人大部分依赖进口,我国伺服电机、精密减速器、伺服驱动器等关键技术落后。研究工业机器人用伺服电机对推动我国工业机器人产业发展和劳动密集型企业转型升级具有重要意义。本文的研究内容来源于2014年广州市产学研协同创新重大专项“基于产业链面向机床自动化生产的工业机器人研发与应用示范”,主要研究任务为设计和试制一款用于工业机器人的1.0kW永磁同步伺服电动机,该型工业机器人将用于机床自动化生产中。首先,对永磁同步伺服电机的结构特点和工作原理进行分析,及提出工业机器人对伺服电机的特殊要求,对永磁伺服电机的过载性、调速性和转矩波动性进行分析。然后,文章介绍运用“场路结合法”设计和分析工业机器人用永磁伺服电机。首先根据项目要求和永磁电机设计原则对电机定转子结构及尺寸、绕组型式和槽极配合等进行合理设计,初步确定电机的电磁设计方案。然后使用RMxprt对电机方案进行核算,使用有限元方法对电机进行仿真分析及使用Maxwell 2D软件确定优化电机气隙磁密和削弱齿槽转矩的方案,最终确定电机的设计方案,文章着重对采用的单双层绕组方案进行介绍和分析。最后根据方案制作样机并进行测试和分析,测试结果表明样机的技术规格和性能特性满足项目设计要求,转矩波动小,过载能力达到要求的3.3倍,超速倍数达到要求的1.5倍。最后,对本文的研究设计工作进行总结,提出一些具有参考价值的永磁伺服电机设计经验,指出产品和设计过程中存在的不足之处及对下一步工作进行展望。文章针对工业机器人用电机在过载性、转矩波动性等方面具有的特定要求,采用一种结合单层绕组优点和双层绕组优点的单双层绕组,改善工业机器人用电机的电动势、磁动势及效率和成本,提高电机的过载能力和降低转矩波动。同时通过设置不等厚磁极削弱电机的齿槽转矩,其永磁磁极的最佳不等厚程度由Maxwell 2D软件确定。本文对于永磁同步伺服电机的设计具有一定的参考价值。
【关键词】：工业机器人 永磁同步伺服电机 电磁设计 有限元分析 单双层绕组 过载能力 转矩波动 齿槽转矩
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM383.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-13
• 第一章 绪论13-20
• 1.1 课题研究背景及意义13-15
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势15-16
• 1.3 工业机器人用伺服电机的类型比较16-18
• 1.4 永磁电机“场路结合”设计方法简介18-19
• 1.5 本文的主要研究内容及论文结构19-20
• 第二章 工业机器人用永磁同步伺服电机原理及特性分析20-30
• 2.1 永磁同步电机的结构特点21-23
• 2.1.1 定子结构21
• 2.1.2 转子结构21-23
• 2.2 永磁同步伺服电机工作原理分析23-25
• 2.3 工业机器人对伺服电机的特殊要求25-26
• 2.4 永磁同步伺服电机的性能分析26-29
• 2.4.1 过载能力分析26-27
• 2.4.2 调速性分析27-28
• 2.4.3 转矩波动性分析28-29
• 2.5 本章小结29-30
• 第三章 工业机器人用永磁同步伺服电机方案设计及分析30-41
• 3.1 工业机器人用永磁伺服电机设计思路30-31
• 3.2 工业机器人用永磁同步伺服电机设计目标和性能要求31-32
• 3.3 工业机器人用永磁同步伺服电机电磁设计32-37
• 3.3.1 电机主要尺寸设计32-33
• 3.3.2 转子结构及槽极配合设计33-34
• 3.3.3 永磁体设计34-35
• 3.3.4 绕组设计35-36
• 3.3.5 定转子冲片设计36
• 3.3.6 总体设计方案36-37
• 3.4 磁路法计算工业机器人用永磁同步电机37-40
• 3.4.1 RMxprt仿真计算模块介绍37-38
• 3.4.2 电机性能计算结果38-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第四章 有限元分析及优化工业机器人用永磁同步伺服电机41-54
• 4.1 使用有限元分析软件分析工业机器人用永磁同步伺服电机41-46
• 4.1.1 有限元分析软件ANSYS Maxwell简介41
• 4.1.2 有限元分析模型的建立41-42
• 4.1.3 电机空载运行工况仿真分析42-45
• 4.1.4 电机额定负载运行工况分析45-46
• 4.2 工业机器人用永磁同步伺服电机优化方法分析46-49
• 4.2.1 永磁电机气隙磁密波形分析46-47
• 4.2.2 齿槽转矩及其削弱方法分析47-48
• 4.2.3 不等厚磁极与气隙磁密的关系分析48-49
• 4.3 应用有限元软件优化工业机器人用永磁同步伺服电机49-53
• 4.4 本章小结53-54
• 第五章 单双层绕组在工业机器人用永磁同步伺服电机中的应用与分析54-69
• 5.1 永磁电机电枢绕组分类和设计要求简介54-55
• 5.1.1 电枢绕组的分类方式54
• 5.1.2 工业机器人用永磁电机对绕组设计的要求54-55
• 5.2 新型单双层绕组设计55-59
• 5.2.1 新型单双层绕组的排布55-57
• 5.2.2 单双层绕组设计思路及过程57-59
• 5.3 单双层绕组应用于工业机器人永磁伺服电机的特点分析59-67
• 5.3.1 绕组系数求取59-60
• 5.3.2 单双层绕组方案电磁性能分析60-67
• 5.3.3 单双层绕组的优点67
• 5.4 本章小结67-69
• 第六章 工业机器人用永磁同步伺服电机样机试验及分析69-80
• 6.1 电机样机制造69
• 6.2 电机样机测试69-78
• 6.2.1 试验平台和试验设备介绍69-70
• 6.2.2 样机状态试验70
• 6.2.3 电机工作特性测试70-72
• 6.2.4 超速、过载性能测试72-73
• 6.2.5 反电动势试验73-74
• 6.2.6 转矩波动、转矩脉动、转速波动测试74-75
• 6.2.7 振动、噪声测试75-77
• 6.2.8 样机测试结果汇总77-78
• 6.3 样机试验结果分析及与计算值对比78-79
• 6.3.1 试验结果分析78
• 6.3.2 试验结果与计算结果对比分析78-79
• 6.4 本章小结79-80
• 总结与展望80-82
• 参考文献82-86
• 攻读硕士期间发表的论文86-88
• 致谢88

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