В соединениях прецизионных роботов, под роторами дронов и даже в тонких операциях медицинского оборудования спрятан ключевой компонент — безрамный моментный двигатель . Среди них коэффициент дуги магнита ротора является загадочной силой, влияющей на производительность двигателя.
В современных технологиях безрамные моментные двигатели стали основными компонентами роботизированных суставов, медицинских роботов и двигательных систем дронов. В отличие от традиционных двигателей, безрамные моментные двигатели имеют безрамную конструкцию , характеризующуюся небольшими размерами, легким весом, низкой инерцией и компактной конструкцией.
Среди многих факторов, влияющих на производительность двигателя, коэффициент дуги магнита ротора играет решающую роль в распределении магнитного поля и общей производительности двигателя. Эта статья даст более глубокое понимание этого, казалось бы, небольшого, но жизненно важного параметра.
01 Введение в безрамные моментные двигатели
Безрамный моментный двигатель — это новый тип двигателя, разработанный специально для особых сценариев применения . Он устраняет рамную конструкцию традиционных двигателей и интегрирует статор и ротор непосредственно в оборудование заказчика.
Такая конструкция обеспечивает двигателю более высокую удельную мощность и более компактную конструкцию, что делает его очень подходящим для применений, где пространство ограничено.
02 Определение и значение коэффициента дуги
Коэффициент дуги (или коэффициент дуги полюса) относится к отношению длины дуги полюса постоянного магнита к шагу полюса . Это важный параметр, описывающий дальность действия магнитных полюсов. В конструкции двигателя коэффициент дуги напрямую влияет на распределение и форму волны магнитного поля воздушного зазора, тем самым влияя на выходной крутящий момент двигателя и плавность работы.
Соответствующий коэффициент дуги может приблизить распределение магнитного поля в воздушном зазоре к синусоидальной волне, уменьшить содержание гармоник , снизить пульсации крутящего момента и, таким образом, улучшить точность управления двигателем и эффективность его работы.
Исследования показывают, что использование коэффициента полюсной дуги 0,85 позволяет добиться относительно идеальных выходных характеристик.
03 Влияние коэффициента дуги на распределение магнитного поля
Коэффициент дуги влияет на распределение магнитного поля двигателя несколькими способами:
Величина магнитного потока:
Больший коэффициент дуги обычно означает большую площадь поперечного сечения магнита, что позволяет ему генерировать больший магнитный поток , тем самым увеличивая выходной крутящий момент двигателя.
Форма волны магнитного поля:
Подходящий коэффициент дуги может сделать распределение магнитного поля в воздушном зазоре более синусоидальным, уменьшить содержание гармоник и, следовательно, снизить пульсации крутящего момента двигателя и рабочий шум.
Зубчатый крутящий момент:
Оптимизация коэффициента дуги может эффективно снизить зубчатый момент (периодические пульсации крутящего момента, вызванные взаимодействием между пазами статора и постоянными магнитами).
Насыщение железного ядра:
Коэффициент дуги вместе с шириной зубца статора влияет на степень насыщения железного сердечника двигателя. Чрезмерное насыщение увеличивает нелинейность характеристики крутящего момента двигателя и увеличивает колебания крутящего момента.
04 Интерактивное влияние коэффициента дуги на другие параметры
Коэффициент дуги не действует независимо; он имеет сложное взаимодействие с другими параметрами двигателя:
Таблица: Интерактивное влияние коэффициента дуги с другими параметрами
Имя параметра |
Проявление взаимодействия |
Предложение по оптимизации |
Количество полюсов |
Увеличение количества полюсов приводит к уменьшению дуги отдельных магнитных полюсов, что потенциально снижает магнитный поток. |
Найдите оптимальный баланс между количеством полюсов и коэффициентом дуги. |
Ширина зуба статора |
Ширина зубца статора является основным параметром, влияющим на насыщение железного сердечника, одновременно влияющим на распределение магнитного поля и коэффициент дуги. |
Одновременно оптимизируйте ширину зуба статора и коэффициент дуги. |
Длина воздушного зазора |
Длина воздушного зазора влияет на магнитное сопротивление, тем самым влияя на распределение магнитного потока и поля. |
Рассмотрим совместное влияние длины воздушного зазора и коэффициента дуги на магнитное поле. |
Материал ПМ |
Различные материалы постоянных магнитов (например, N38EH, N48UH) имеют разные магнитные свойства, что требует различной оптимизации коэффициента дуги. |
Отрегулируйте коэффициент дуги в соответствии со свойствами материала PM. |
05 Методы оптимизации коэффициента дуги
Оптимизация коэффициента дуги является важной частью конструкции двигателя. К основным методам относятся:
Анализ методом конечных элементов (FEA):
Используйте программное обеспечение FEA для точного моделирования магнитного поля двигателя и определения оптимального коэффициента дуги посредством параметрического сканирования.
Наклон (прорези или полюса):
Использование методов перекоса может эффективно ослабить крутящий момент зубца. В сочетании с оптимизацией коэффициента дуги это может еще больше улучшить производительность двигателя.
Дизайн вспомогательного слота:
Добавление вспомогательных пазов на кончиках зубьев статора может изменить распределение магнитного поля и уменьшить пульсации крутящего момента. Исследования показывают, что добавление вспомогательных пазов диаметром 0,5 мм может снизить пульсации крутящего момента на 0,25 процентных пункта.
Многоцелевая оптимизация:
Всесторонне рассмотрите влияние коэффициента дуги на выходной крутящий момент, пульсации крутящего момента, потери в железе и меди, чтобы найти лучший компромисс, отвечающий множеству требований к производительности.
06 Практическое применение и тематические исследования
В практических приложениях оптимизация коэффициента дуги привела к значительному улучшению производительности:
Роботизированные моментные двигатели:
Исследования показывают, что такие меры, как оптимизация коэффициента полюсной дуги, могут снизить влияние насыщения железного сердечника на характеристики крутящего момента, улучшая линейность характеристической кривой крутящего момента двигателя и уменьшая колебания крутящего момента.
Безрамная конструкция двигателя:
Безрамный двигатель для коллаборативного робота, использующий 24-слотовую 28-полюсную конструкцию и оптимизацию параметров (включая коэффициент дуги), достиг номинального крутящего момента 0,52 Нм, пикового крутящего момента 1,2 Нм, в то время как зубчатый крутящий момент составил всего 0,0047 Нм, сохраняя коэффициент пульсации крутящего момента ниже 1%..
Применение массива Хальбаха:
Использование конструкции ротора с матрицей Хальбаха по сравнению с традиционными магнитами поверхностного монтажа позволяет увеличить константу крутящего момента на 7,6% в номинальных условиях и на 21,6% в условиях перегрузки.
07 Тенденции будущего развития
С развитием технологий оптимизация коэффициента дуги магнита ротора в бескорпусных моментных двигателях продолжает прогрессировать:
Анализ мультифизических связей:
Будущая оптимизация будет учитывать не только электромагнитные характеристики, но и влияние множества физических полей, таких как тепловые характеристики и механическое напряжение.
Новые применения материалов:
Разработка и применение новых материалов для постоянных магнитов предоставит больше возможностей для расчета коэффициента дуги, например, магнитных материалов с лучшими характеристиками антиразмагничивания при высоких температурах.
Интеллектуальный дизайн:
Используйте алгоритмы искусственного интеллекта , чтобы ускорить процесс оптимизации коэффициента дуги, добившись автоматизации и оптимизации конструкции двигателя.
Индивидуальные решения:
Разрабатывайте индивидуальные решения по оптимизации коэффициента дуги с учетом характеристик различных сценариев применения (например, роботизированных соединений, медицинского оборудования, дронов).
Оптимизация коэффициента дуги — это лишь одна часть конструкции безрамного моментного двигателя, но ее синергетический эффект с такими параметрами, как количество полюсов, ширина зубца статора и длина воздушного зазора, может создать более мощный и точный источник энергии.
В будущем, благодаря применению новых материалов и интеллектуальных технологий проектирования, оптимизация коэффициента дуги станет более точной, открывая новые возможности для высокоточных двигателей.
