管道检测机器人用永磁同步电动机设计

2019-10-31余菊峰

微特电机 2019年10期

余菊峰

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引言

由于受到自然因素及各种自身原因的影响，各类输气、输油及输水管道在经过长期使用之后，经常会出现管道破裂或堵塞，导致输送介质泄漏或输送效率降低，有时甚至引起爆炸、火灾等恶性事故。为加强城市燃气管网安全生产与管理、保障城市能源供应与使用安全，必须对管道进行定期检查[1]，新型管道检测机器人可以代替人类进入到复杂多变的管道环境中,并通过自身携带的检测或疏通装置对管道进行检测及维护工作,确保管道有效安全的工作。管道机器人机械本体对系统实现目标功能具有重要影响作用,直接影响管道机器人的控制特性[2]。

本文介绍的永磁同步电动机主要用于管道检测机器人中的自主运动系统，是系统中的主要驱动动力元件。此电动机具有体积紧凑、可靠性好、耐温性能强、功率密度高等特点，在各种管道检测系统中具有广泛的应用价值。

1 基本结构和原理

首先结合管道检测机器人使用环境的要求，采用有限元分析软件分析不同极槽配合形式的电机运行特性，同时优化电机磁钢形状，降低电机电磁转矩变化，有效提高永磁同步电动机的效率及可靠性。电机控制系统采用无位置传感器的驱动控制方式，确保电机装置的可靠运行。

1.1 电机基本结构

管道检测机器人用永磁同步电动机的具体结构如图1所示。

图1 永磁同步电动机结构简图

电机采用径向磁路结构，整体外形为管状细长结构，电机内部腔体充油，通过油进行热量传递，确保整个电机温度平衡。转轴作为减速器的第一级，经过高变比减速器与外部爬行装置相连，通过控制电机的旋转实现机器人的管道内行走。

1.2 主要工作原理

本电机为径向磁路永磁同步电动机，电机三相绕组依次镶嵌在定子铁心的槽中，转子采用稀土永磁材料进行励磁。电机采用的控制方式为无位置传感器驱动模式，通过检测绕组电压过零点来判断转子的相对位置。上位驱动器根据检测到的转子位置改变定子电枢线圈中的电流方向，确保转子气隙磁通与定子电流产生的磁场总是保持正交，使得输出转矩始终最大。

2 设计内容

针对管道检测机器人爬行系统对永磁同步电动机的要求，本文有如下几个方面的设计内容：

2.1 低脉动电机电磁设计及仿真技术

本文电机的运行转速在8 000 r/min,并通过两级减速器减速后输出。针对这一运行要求，本电机设计采用6齿2极的整数槽形式，具有较高的绕组系数，定子为分布绕组，具有较高的转矩系数，并有效地减小电机绕组端部长度，降低铜耗，从而提高电机效率；采用两极转子可以有效降低运行频率，减少电机的定子损耗。本文对电机定子冲片的齿部与轭部进行合理设计，使得额定运行时定子铁心各部分磁密值适当，这样可以有效减少铁耗，并在保证定子各部分磁密选取适当的条件下增加定子槽的面积，可以有效降低定子绕组电阻值，最终实现降低电机铜耗的目的[4]。同时对电机转子磁钢形状及磁钢跨距角度(转子磁钢最终跨距角度确定为120°)进行多方案对比分析，优化气隙磁密分布，减少气隙磁密中高次谐波含量，最终有效降低电机齿槽转矩。图2为电机磁路分布图，图3为电机额定运行时的磁密分布图仿真结果，从图3中可以看出，电机定子齿部与轭部的磁密值均选取合适。同时计算出管道检测机器人额定运行条件下电机的齿槽转矩波形如图4所示，反电势波形如图5所示。

图2 电机磁路分布图

图3 磁密分布图

图4 电机齿槽转矩图

图5 电机线反电势波形

图6为电机在加载运行时的磁密分布图，图7为电机加载时的输出转矩波形。可以看出，定转子各部分磁密在加载条件下并未饱和，确保电机在加载条件下输出转矩满足使用要求。从图8中可以看出，通过优化设计后，电机的齿槽转矩下降明显，可以有效降低电机运行时的转矩波动，提高运行控制精度。

图6 加载时磁密分布图

图7 加载时转矩输出图

(a) 优化前

(b) 优化后

2.2 耐高温环境设计技术

针对管道检测机器人实际运行环境的要求，运行时环境温度最高能达到180 ℃，再加上电机运行时产生的热量，普通电机无法达到这种要求，因此在电机设计及材料选择上要进行详细的考虑。

2.2.1 提高整体效率，减小自身发热

1) 采用6齿2极的齿槽结构设计，定子为分布绕组，转矩系数较高，同时有效减小电机绕组端部长度来降低铜损，从而提高电机效率。

2) 针对电机运行转速较高的特点，采用两极设计形式，有效降低电机运行频率，减少电机定子铁损；采用厚度0.1 mm高导磁性能低铁耗系数的硅钢片，作为定子铁心的材料，进一步降低定子铁耗。

3) 转子磁钢采用斜极并优化设计磁钢外形及跨距角度，有效降低高次谐波产生的损耗。

2.2.2 提高自身散热及抗热能力，确保电机稳定运行

1) 电机采用封闭式结构，内部填充变压器油，通过变压器油作为导热介质，将定子产生的热量均匀传递到电机各部分，避免因局部温度过高导致电机失效。

2) 电机转子磁钢采用稀土钐钴永磁材料，耐温可达300 ℃；定子线圈采用聚酰亚胺漆包线，耐温可达250 ℃，以满足电机在高温环境下稳定运行。

3 测试结果

根据技术要求，对永磁同步电动机进行了技术参数测试。电动机输入电压为500 V(DC)，额定转速为8 000 r/min，额定转矩为0.5 N·m，其反电动势测试波形如图9所示,测试结果与仿真结果相比较基本吻合。气隙磁通测试波形如图10所示，波形较好，与仿真基本接近。

图9 反电势测试波形图

图10 气隙磁通测试波形图

电机空载运行时输入电压511 V，电流0.24 A，电机转速8 600 r/min。电机及控制器与机器人整体装配良好，电机带20∶1减速器及其它执行机构，机器人悬空测试，输入电压467 V，电流0.61 A。随后进行机器人带载实验，机器人在空心管道中爬行，经过滑轮拖动80 kg重物测试。此时输入电压430 V，电流1.2 A(见图11)，机器人爬行正常。同时对永磁同步电动机随机器人系统实际进行了高温测试，系统运行温度为180 ℃，在此运行条件下整个系统正常工作。