工业机器人用永磁同步电机优化设计与分析

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永磁同步电机以其较高的转矩密度、良好的可控性以及紧凑的结构,在机器人关节、机床等装置中应用比较广泛。考虑到工业机器人的应用场合,永磁同步电机必须具有较高的输出转矩稳定性以及较低的振动噪声。本文针对以上要求,对一款2kW的工业机器人用36槽8极永磁同步电机进行了输出转矩和效率两方面的优化,并参数化分析了磁钢参数对于电磁振动噪声的影响。首先,针对工业机器人用永磁同步电机的设计优化以及振动噪声的分析背景进行简要的综述,并着重对永磁同步电机的转矩脉动进行了理论分析,推导了电磁力密度公式,从机械动力学方面解析分析了电机的模态参数以及振动方程。其次,利用多目标粒子群算法(MOPSO)对电机的输出转矩以及效率进行优化,采用Taguchi方法对影响电机转矩脉动以及效率的参数变量进行分析与局部优化,然后利用非线性最小二乘法对Taguchi方法得到的数据集进行拟合,将其作为MOP SO算法的适应度函数,采用MOPSO算法对参数变量进行寻优,并利用有限元软件进行仿真分析验证。最后,利用ANSYS Maxwell 2D分析电机的电磁力密度;对电机机械机构的模态参数进行分析,主要包括对电机的定子以及整机的模态频率和模态振型进行分析;在此基础上采用谐响应方法对电机的电磁振动与噪声进行参数化分析,分别从影响气隙磁场的不同结构参数进行分析,包括充磁方式、偏心距、极弧系数,得到不同频率下的电磁力密度、径向振动位移以及电磁噪声,对比分析了不同参数对电磁振动与噪声的影响。
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