工业缝纫机用永磁伺服电机的优化设计

曹 翼

( 上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司 上海 200063 )

工业缝纫机用永磁伺服电机的优化设计

曹 翼

( 上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司 上海 200063 )

针对一款工业缝纫机用永磁伺服电机的设计指标，提出设计注意要点和方法，在此基础上使用有限元软件对电机进行优化设计，给出设计方案，完成试验样机，样机性能符合技术要求且仿真数据与样机测试结果基本吻合。

永磁伺服电机 电磁设计 有限元仿真 样机试验

0 引言

目前，大部分工业缝纫机使用的动力为单相、三相交流异步电动机，一般只有一种加工速度，难以适应各种服装布料的加工要求，运行效率和功率因素较低，耗电量较大。从提高加工质量和加工效率以及节约能源等方面考虑，将永磁伺服电机技术应用于工业缝纫机中，可以收到令人满意的效果。

随着永磁伺服技术的迅速发展，采用高性能永磁伺服电机为执行动力的永磁控制系统，由于其重量轻、体积小、效率和功率因素高、可靠性强，在工业缝纫机产业受到广泛关注，成为研究的热点。我国高性能缝纫机的核心技术市场长期被国外企业占领，尤其在永磁伺服电机方面，国内以引进仿制为主，缺少真正适合用户要求和满足市场应用的产品，因此高性能的工业缝纫机用永磁伺服电机也是目前国内永磁电机应用领域的开发热点之一。

本文主要针对市场上一款用量较大的工业缝纫机用永磁伺服电机设计需求，利用有限元分析软件按照设计指标，给出了一种高性能、低成本的设计方案，并开发了试验样机；经过相关性能测试，与占据国内市场较大份额的某进口国外同型号电机相比，主要机械特性和温升水平基本接近，较好的满足了工业缝纫机用永磁伺服电机的市场发展需求。

1 设计要点

1.1优化性设计问题

在永磁电机的经典磁路分析基础上，进行驱动电路与电机有限元场路耦合动态仿真、电磁性能校核；对饱和情况下的电机电枢反应磁场进行计算，通过对电抗、电阻类参数的精确计算，建立非线性永磁同步电机的数学模型，结合矢量控制理论对工业缝纫机用永磁伺服电机的控制策略方案进行仿真，以满足稳态和动态的转矩、转速需求，并提高系统效率。

1.2转矩脉动性问题

关注永磁伺服电机的转矩脉动和反电动势波形正弦畸变率问题，通过电机极槽配合的选择，如使用分数槽绕组等，提高齿槽转矩的谐波次数，不仅降低其幅值，并且可以提高定子绕组的利用率；优化永磁体的形状和偏心距，使永磁电机的空载气隙磁密和反电动势趋近正弦，一方面减少了气隙磁场中的谐波含量，降低转矩脉动；另一方面在保证性能的前提下，减少永磁材料的用量。

1.3退磁性问题

导致永磁电机的永磁体出现不可逆退磁的主要因素有长时间高温下工作和三相短路时定子电流产生的电枢反应退磁磁场，出现不可逆退磁最严重的情况是高温条件下电机定子绕组突然短路.在实际设计时，必须校核电机的最大去磁工作点，使其在最高工作温度下永磁材料的退磁曲线的拐点以上，以增强其运行可靠性。在此基础上，使用有限元分析方法，优化永磁体形状和磁化方向长度，以减少永磁材料的用量，降低成本。

1.4密封防护性问题

为防止永磁体对铁屑、尘埃等杂质的吸附作用，使用全封闭结构。避免杂质进入电机内部，从而提高电机的可靠性，并减少电机的维护工作量；为保护永磁体材料，可以在其表面采用涂敷处理或者电镀处理，以提高永磁电机的环境适应性。

1.5工艺制造性问题

为了减少气隙磁密的谐波含量，并方便定子嵌线工艺的自动化生产，使用双层绕组型式，并选择绕组第一节距为1。在提高劳动生产率的同时，使绕组端部较短，节约铜线用量，降低损耗。

2 方案设计和有限元磁场仿真

2.1方案设计

电机技术要求如表1所示。根据指标要求，采用经典解析法对永磁伺服电机进行了初步的电磁设计，对电磁方案进行了有限元仿真。有限元分析计算是模拟电机的瞬态运动过程，可较为准确的计算电压波形、电流波形、转矩状态、损耗等。本文采用8极12槽电机的单元电机1/4 模型，利用周期性边界条件简化计算模型。建立一个单元电机下2D电磁场仿真模型如图1所示。

表1 工业缝纫机用永磁伺服电机主要技术要求

图1 电机2D有限元模型

2.2有限元磁场仿真

1）在一个周期内，对永磁电机的空载反电动势进行了计算，三相空载相反电动势如图2所示，经对波形的傅里叶分解，空载相电动势正弦波形畸变率为0.22%。图3为空载磁场云图，可以看出关于电机内各部分磁密都在正常范围内，其中齿部和轭部都在硅钢片饱和拐点以下，保证了铁芯损耗不会过大，在齿根部位部分位置有较大磁密值出现也保证了材料得到充分利用。

图2 空载反电动势波形图

图3 空载磁场云图

图4 空载磁场磁力线图

图5 齿槽转矩波形图

2）在一个齿槽转矩周期内进行了齿槽转矩的计算，如图5所示，经计算齿槽转矩仅占额定负载转矩的1.1%，表明在永磁体形状优化和偏心设计的情况下，不仅使空载反电动势波形得到优化，而且使齿槽转矩幅值得到明显降低，这将使电机在负载运行时，转矩脉动明显减小，运行平稳。

3）接入外电路后，给电机的输入源设置功角，并将负载设定为额定负载转矩，对电机的输出电磁转矩进行了仿真计算，如图6所示，此时电机输出电磁转矩为3.45 N·m，满足设计要求；经计算，此时转矩脉动率只有2%，说明电机在额定状态下，具有良好的输出特性。负载情况下，电机内部各部分磁密也在正常范围之内，磁密云图如图7所示。

图6 额定负载输出电磁转矩图

图7 额定负载磁场云图

4）施加3倍的额定电流作用在定子绕组上，并使定子电流产生的磁场与永磁体产生的磁场方向相反，即此时定子电流用来产生去磁的电枢反应。计算此时永磁体各部位的磁场分布。从图8可以看出永磁体各点的磁密值都高于退磁曲线拐点处的磁密值，保证了永磁体最大去磁工作点在永磁体的退磁曲线拐点以上，且有一定的安全裕量，直接提高了电机工作的可靠性。

图8 退磁磁场计算云图

经空载、负载等不同运行情况的磁场分析和计算，通过电机定转子各部件尺寸的优化，得到了较为正弦的反电动势波形，并大大降低了齿槽转矩的幅值，使电机的运行性能得到保证，基本满足了工业缝纫机用永磁伺服电机设计需求；经退磁磁场计算后，优化磁钢的尺寸，在保证可靠性的前提下，减少永磁体用量，降低了电机的制造成本。通过上述的分析和计算，得到了一个具有较高性能和较低成本的永磁伺服电机方案。

3 试验样机性能测试

按上述方案进行了样机的制作，样机主要部件如图9、图10所示。需要指出的是：在电机转子轭部铁芯的制造过程中，尺寸略有修改，但调整幅度较小，且其轭部磁密取值也较低，因此对电机的性能几乎没有影响。

图9 下线后定子铁芯

图10 包塑处理后转子铁芯

样机空转时测量的反电动势如图11所示，可以明显看出，3相空载反电动势正弦波形质量良好，谐波含量较少，与有限元分析的结果接近；图12为额定运行时某一相电流波形，从电流波形和幅值大小可以看出本样机具有良好的控制性能，电流正弦度也很高，且有效值与计算数据基本相同。

图11 三相空载反电动势波形

图12 某一相电机电流波形

在环境温度为28.3℃，电机自然冷却情况下，使用同样的控制驱动器对样机和某国外同型号电机产品进行了性能对比测试，主要结果如下：

3.1机械输出特性测试

此试验主要是检测在不同转速下，施加不同电流和功率角后，检测电机的输出力矩能力。转速在800 r/m时，负载转矩最大给到4 N·m。试验过程中，电机的转速和转矩输出平稳，调速精度较高，响应灵敏。

上半年来，全球经济出现复苏，发达国家失业率持续下降，欧美经济保持了增长的态势，但复苏基础并不稳固，复苏节奏也不均衡，欧元区经济增速放缓，新兴市场经济动荡加剧(见表1)。

图13 某国外电机机械特性曲线

图14 试验样机机械特性曲线

3.2温升水平测试

图15 某国外电机温度上升曲线

图16 试验样机温度上升曲线

1）在额定功率（250 W）和额定转速（700 r/m）运行状态下，试验样机的系统效率为60.8%（系统效率=电机转轴输出机械功率/控制器输入功率，下同）；某国外产品系统效率为62.2%，两者基本接近。

2）在不同转速运行范围内（200 r/m～800 r/m）和不同转矩（1 N·m～4 N·m）运行范围内具有基本相当的输出功率能力，但在超过额定功率后，试验样机的过载能力略小于国外电机。从输出机械特性曲线上可看出，转速为800 r/m时，国外电机的转矩可达4 N·m，而试验样机达到3.78 N·m，相差近7%。

3）额定输出时，电机在40 min后温升达到稳定。试验样机表面最高温度为92.5℃，国外电机表面最高温度为91.6℃，两者温升基本相当。

4 结语

比照计算结果和试验数据，设计方案基本满足了指标要求；在方案的设计过程中，经反复分析和验证，发现有限元分析结果对所使用材料的特性曲线依赖性较强，仿真结果的正确性与模型的网格剖分也息息相关，这些因素对计算结果的准确性都有很大影响。在磁场分析中的主要影响因素和次要影响因素需要在电机方案设计中仔细进行分析取舍，在不影响结果正确性的前提下忽略次要因素和简化模型将使求解过程简单、高效。

运用场路结合的分析方法是解决具有严重局部饱和、气隙磁场谐波含量丰富等特点的永磁伺服电机电磁设计的有效手段，并能直观的帮助解决齿槽转矩过大、磁场正弦分布等不易优化的难题。通过电机参数的确定以及样机的试制、试验，结合其与国外产品的性能比较，验证了设计方案的实用性和可靠性。理论设计、仿真结果和试验结果基本吻合，取得了令人满意的效果。

与某国外产品相比，本方案在制造成本上具有较大优势，在效率和温升水平上与之基本相当，是一种具有良好性能指标的设计方案。但是在转矩过载能力上，与国外产品还有一定差距，需要我们进一步研究，以开发出在性能上达到并超过国外水平的电机产品。

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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，硕士研究生，主要从事永磁电机、特种电机电磁场计算和设计等工作。