基于磁路优化的伺服电机制动转矩提高方法研究
时间：2023-06-02 10:40:15 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
刘 娜 钟成堡1, 陈飞龙1, 杨文德1,
（1.广东省高性能伺服系统企业重点实验室 珠海 519070；
2.珠海格力电器股份有限公司 珠海 519000）
随着智能装备制造的发展，机器人和自动化生产等应用领域对伺服电机的体积和制动转矩等性能提出越来越高的要求。
保持制动器是用于保证伺服电机掉电时能够使电机保持制动的关键部件。为了提高制动器输出转矩，国内外众多专家学者和工程技术人员都做了许多相关的研究。文献[ 1 ] 提出一种采用多个励磁线圈均匀布置进而产生多个磁极的激励方式来提高制动器输出转矩的方法。文献[ 2 ]提出一种利用动能惯性来实现发电回馈制动的方法，最终实现电动汽车需降速或下坡运行时的制动操作，经过理论分析验证了该方法的可行性。文献[3]提出一种混合制动器结构参数的匹配设计方法，通过建立混合制动器的数学模型和仿真验证，证明了该方法的可性。文献[4]提出了一种低速能量回馈制动的控制方法，通过计算机仿真和样机实验验证了采用该控制方法的可行性，最终实现电动汽车的低速电气回馈制动。文献[5]提出一种通过在电路中增设功率开关管使制动时电枢并联的停车制动方法，分析了制动电路的特点和设定电路参数，最终通过测试验证了该方法的可行性。文献[6]在建立电磁与摩擦集成制动模型的基础上，根据电磁制动与电子液压制动各自制动控制特性，提出了电磁与摩擦集成制动系统防抱死制动分层协调控制方法。最终通过理论分析与实验验证了该方法的可行性。以上文献介绍众多通过改变励磁方式、采用惯性回馈制动、低速能量回馈制动、驱动电路制动模块设计和电磁机械集成制动设计的方法来提高制动器性能，增大制动器输出转矩。本文通过磁场密度分析及磁路优化，提出制动器定子磁轭底部凸起结构设计和动子磁轭与轮毂耦合设计的方法，进而提高制动器输出转矩。
本文首先从电机制动器的电磁力和输出转矩表达式分析出制动器的磁阻是影响其电磁力及输出转矩的关键因素。对制动器磁路与磁阻进行了理论分析。然后采用maxwell 3D仿真方法分析出制动器定子磁轭底部内径与外径中间环形位置磁场的饱和引起了定子磁轭磁阻的大幅增大。同时发现动子磁轭靠近转动轮毂侧内环位置磁密较小，磁利用率较低。最终通过磁路优化，提出了定子磁轭凸起结构设计和动子磁轭与轮毂耦合设计方法。仿真和实验结果表明，此方法对伺服电机制动器输出转矩有明显的提高作用。
制动器是伺服电机用于保持制动的关键部件，装配于伺服电机内部，图1为伺服电机剖面图，其中虚线部分为制动器部件。制动器由定子磁轭、绕组、动子磁轭、弹簧、转动轮毂和摩擦片等构成。
图1 伺服电机剖面示意图
定子磁轭装配于电机端盖上，转动轮毂与摩擦片固定一体通过连接键和胶与电机轴连接。弹簧在定子磁轭与动子磁轭间提供制动推力将动子磁轭与摩擦片完全贴合。当制动器绕组不通电时为制动器保持制动状态，此时摩擦片与动子磁轭间的摩擦转矩为电机制动器的输出转矩。
根据机械原理，制动器输出转矩公式如下：
式中：
T—电机制动转矩；
F—制动器弹簧力；
R—制动器摩擦片与转轴中心的半径。
制动器解除制动状态工作时，要求制动器动子磁轭与摩擦片脱离，使转动轮毂能够随电机轴自由旋转。制动器解除制动工作时绕组需要处于通电的状态。制动器定子磁轭、绕组和动子磁轭为磁场元件，在绕组通电时定子磁轭与动子磁轭间产生的电磁吸力克服弹簧制动力最终使动子磁轭与摩擦片脱离实现制动解除。
若需设计更大的制动转矩，在R不变的情况下则需设计更大的弹簧力F，同时为了使制动器解除制动工况同步得到保证，制动器电磁力也需要同步加大。
根据电磁力定义同时结合电机制动器结构特点可得如下电磁力计算公式：
式中：
FM—制动器电磁力；
N—制动器绕组匝数；
I—绕组电流；
R—制动器磁阻；
S—定子磁轭朝向动子磁轭侧内环与外环的截面积；
μ0—空气磁导率。
从理论分析可知，电机制动器的磁阻是影响其电磁力及输出转矩的关键因素。通过降低磁阻可以提高电机制动器的电磁力和输出转矩。
制动器绕组产生磁动势，若忽略漏磁的影响，其磁通路径为：定子磁轭底部→定子磁轭外环→定子与动子间空气隙→动子磁轭→动子与定子间空气隙→定子磁轭内环，如图2所示。
图2 制动器磁路分析图
若忽略漏磁的影响，制动器磁阻主要由三部分构成，定子与动子间的气隙磁阻、定子磁轭磁阻和动子磁轭磁阻。
气隙长度越小其磁阻越小，气隙长度设计原则是在尺寸链公差带范围内定子和动子不会干涉的最小值。
定子磁轭和动子磁轭由铁磁材料构成，其磁阻主要由定子和动子磁轭的磁密饱和情况和磁路结构形状等决定。
本文主要针对制动器磁路结构进行优化，最终实现制动器电磁力和输出转矩的最优设计。
制动器仿真模型主要参数如表1所示。
表1 模型主要参数（单位：mm）
本文采用maxwell 3D仿真方法对制动器的磁场及电磁力进行分析。
传统结构制动器三维仿真磁密云图如图3所示。从仿真结果可以看出，定子磁轭底部内径与外径中间环形区域磁密高达1.9 T，已达到磁场饱和。该位置磁阻较大。
图3 传统结构制动器3D仿真磁密云图
本文对制动器定子磁轭底部磁路结构进行优化。磁轭底部设计环形凸起结构，凸起结构位于磁饱和的定子磁轭底部转角位置，凸起结构能够增大磁饱和区域的磁路截面积，进而能够降低制动器磁阻。
采用改进结构的制动器仿真磁密云图如图4所示。从图中可以看出，原本磁饱和位置的磁密已经降低至（0.6～1.5）T，降低至磁饱和点以下。
图4 改进结构制动器3D仿真磁密云图
制动器定子磁轭底部凸起结构使用前后磁密分布对比示意图如图5所示。
图5 改进前后定子磁轭磁密分布对比示意图
定子磁轭底部设计环形凸起结构能够解决磁轭底部磁密饱和的问题，大幅降低定子磁轭磁阻，采用此结构的制动器电磁力从原来的1.96 kN提高至2.47 kN，提高了26.3 %。电磁力仿真对比如图6所示。
图6 改善前后电磁力仿真曲线
采用该凸起结构方案的制动器电流和电压工作曲线如图7所示，吸引时间为5 ms，比原方案吸引时间缩短28.5 %，证明此结构也同时提高了制动器的响应性。
图7 制动器电流电压仿真曲线
4.1 动子磁轭与轮毂配合设计
通过制动器磁场仿真发现动子磁轭靠近转动轮毂侧靠近内环的位置磁密较小，磁利用率较低。如图8所示。
图8 动子磁轭磁密分布示意图
本文对动子磁轭和转动轮毂进行耦合优化设计。制动器动子磁轭临近转动轮毂面设计凹槽结构，凹槽外径为a，深度为f。转动轮毂临近制动器动子磁轭面设计凸起结构。制动器动子磁轭凹槽结构能够容纳制动器转动轮毂的凸起结构，凹槽与凸起结构无干涉，如图9所示。
图9 动子磁轭和转动轮毂耦合设计示意图
制动器转动轮毂设计有键槽用于键的安装，键的最大长度W等于轮毂厚度，连接键需要承受来自制动器轮毂与转轴间的制动应力，其应力要求如表2所示。所以键需要满足一定长度使其应力小于材料许用最大应力。
表2 键连接的许用应力（单位：MPa）
动子磁轭凹槽结构能够使转动轮毂键的安装结构部分伸入动子磁轭轴向空间。在电机长度不变的情况下键的长度得到加长，键的加长使制动器设计输出转矩得到增大。
4.2 动子磁轭凹槽结构优化设计
制动器动子磁轭凹槽对制动器输出转矩的影响与整个磁路系统结构有关，制动器定子磁轭和制动器动子磁轭的结构尺寸均会影响磁场密度分布，在凹槽尺寸一定时，不同的制动器定子磁轭和制动器动子磁轭结构对应的制动器输出转矩会有很大波动。
制动器输出电磁力主要与Ф1、W1和W2等参数相关。经过仿真分析，制动转矩与a/Ф1和（W1-f）/W2的变化关系如图10所示。其中T代表动子磁轭开槽后制动器输出转矩，T0代表开槽前输出转矩，纵坐标T/T0代表开槽前后两者之间的比例系数。
图10 制动转矩与a/Ф1和（W1-f）/W2的变化关系
从仿真数据得出结论：当a≤Ф1时凹槽结构对制动器输出转矩基本无影响，当a＞Ф1时制动器输出转矩显著降低。当（W1-f）/W2≥ 0.7时凹槽结构对制动器输出转矩基本无影响，当（W1-f）/W2＜ 0.7时制动器输出转矩显著降低。
所以动子磁轭凹槽结构尺寸满足a≤R1且（W1-f）/W2≥ 0.7时为最佳设计。
此方法能够在制动器和电机长度不变的情况下，制动键可以设计更长，制动器输出转矩得到大幅提高。
将电机安装在制动转矩测试台上，采用扭矩传感器对电机制动转矩进行测试，得到结果如图11。
图11 制动转矩测试曲线
实测电机制动转矩为1.28 N.m，相比改进设计前输出转矩提高15.7 %，性能得到大幅提升。
本文提出一种伺服电机制动转矩提高方法。推导了电机制动器电磁力及输出转矩解析式，对制动器磁路与磁阻进行了理论分析。同时使用有限元软件Maxwell建立了理想的制动器三维模型并对其磁密分布进行了分析。通过磁路优化，提出一种定子磁轭凸起结构设计和动子磁轭与轮毂耦合设计方法，最终使电机制动器电磁力提高26.3 %，制动转矩提高15.7 %。本文所提出的磁路优化方法对电机制动器输出转矩有明显的提高作用，该方法可以为今后电机设计时磁场的优化提供参考。
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