У з’єднаннях точних роботів, під роторами дронів і навіть у тонких роботах медичного обладнання прихований ключовий компонент — безкаркасний моментний двигун . Серед них коефіцієнт дуги магніту ротора є таємничою силою, що впливає на роботу двигуна.
У сучасних технологіях безкаркасні моментні двигуни стали основними компонентами роботизованих суглобів, медичних роботів і силових систем дронів. На відміну від традиційних двигунів, безрамні моментні двигуни мають безрамну конструкцію , яка характеризується невеликими розмірами, малою вагою, малою інерцією та компактною структурою.
Серед багатьох факторів, що впливають на продуктивність двигуна, коефіцієнт дуги магніту ротора відіграє вирішальну роль у розподілі магнітного поля та загальній продуктивності двигуна. Ця стаття надасть поглиблене розуміння цього, здавалося б, невеликого, але життєво важливого параметра.
01 Вступ до безкаркасних моментних двигунів
Безкаркасний моментний двигун — це новий тип двигуна, розробленого спеціально для спеціальних сценаріїв застосування . Він видаляє структуру рами традиційних двигунів і інтегрує статор і ротор безпосередньо в обладнання замовника.
Така конструкція надає двигуну більш високу щільність потужності та більш компактну структуру, що робить його дуже придатним для застосувань, де простір обмежений.
02 Визначення та важливість коефіцієнта дуги
Коефіцієнт дуги (або коефіцієнт дуги полюса) відноситься до відношення довжини дуги полюса постійного магніту до кроку полюса . Це важливий параметр, що описує діапазон охоплення магнітних полюсів. У конструкції двигуна коефіцієнт дуги безпосередньо впливає на розподіл і форму хвилі магнітного поля повітряного зазору, тим самим впливаючи на вихідний крутний момент і плавність роботи двигуна.
Відповідний коефіцієнт дуги може зробити розподіл магнітного поля повітряного проміжку ближчим до синусоїдальної хвилі, зменшити вміст гармонік , знизити пульсації крутного моменту, і таким чином підвищити точність керування двигуном і ефективність роботи.
Дослідження показують, що використання коефіцієнта полюсної дуги 0,85 може досягти відносно ідеальних вихідних характеристик.
03 Вплив коефіцієнта дуги на розподіл магнітного поля
Коефіцієнт дуги впливає на розподіл магнітного поля двигуна кількома способами:
Магнітуда магнітного потоку:
Більший коефіцієнт дуги зазвичай означає більшу площу поперечного перерізу магніту, що дозволяє йому генерувати більший магнітний потік , тим самим збільшуючи вихідний крутний момент двигуна.
Форма хвилі магнітного поля:
Відповідний коефіцієнт дуги може зробити розподіл магнітного поля повітряного зазору більш синусоїдальним, зменшити вміст гармонік і, отже, знизити пульсації крутного моменту двигуна та робочий шум.
Крутний момент:
Оптимізація коефіцієнта дуги може ефективно зменшити крутний момент (періодичні пульсації крутного моменту, спричинені взаємодією між пазами статора та постійними магнітами).
Насиченість ядра залізом:
Коефіцієнт дуги разом із шириною зуба статора впливає на ступінь насичення залізного сердечника двигуна. Надмірне насичення збільшує нелінійність кривої характеристики крутного моменту двигуна та збільшує коливання крутного моменту.
04 Інтерактивні ефекти коефіцієнта дуги з іншими параметрами
Коефіцієнт дуги не діє незалежно; він має складну взаємодію з іншими руховими параметрами:
Таблиця: Інтерактивні ефекти коефіцієнта дуги з іншими параметрами
Назва параметра |
Прояв взаємодії |
Пропозиція щодо оптимізації |
Кількість поляків |
Збільшення кількості полюсів призводить до зменшення дуги окремих магнітних полюсів, потенційно зменшуючи магнітний потік. |
Знайдіть оптимальний баланс між числом полюсів і коефіцієнтом дуги. |
Ширина зуба статора |
Ширина зуба статора є основним параметром, що впливає на насичення залізного сердечника, спільно впливаючи на розподіл магнітного поля з коефіцієнтом дуги. |
Оптимізуйте ширину зуба статора та коефіцієнт дуги одночасно. |
Довжина повітряного зазору |
Довжина повітряного зазору впливає на магнітний опір, тим самим впливаючи на магнітний потік і розподіл поля. |
Розглянемо сумарний вплив довжини повітряного проміжку та коефіцієнта дуги на магнітне поле. |
Матеріал ПМ |
Різні матеріали постійного магніту (наприклад, N38EH, N48UH) мають різні магнітні властивості, що вимагає різної оптимізації коефіцієнта дуги. |
Відрегулюйте коефіцієнт дуги відповідно до властивостей матеріалу PM. |
05 Методи оптимізації коефіцієнта дуги
Оптимізація коефіцієнта дуги є важливою частиною конструкції двигуна. Основні методи включають:
Аналіз кінцевих елементів (FEA):
Використовуйте програмне забезпечення FEA для точного моделювання магнітного поля двигуна, знаходження оптимального коефіцієнта дуги за допомогою параметричного сканування.
Перекіс (прорізи або стовпи):
Використання техніки перекосу може ефективно послабити крутний момент. У поєднанні з оптимізацією коефіцієнта дуги це може ще більше покращити продуктивність двигуна.
Конструкція допоміжного слота:
Додавання додаткових пазів на кінчиках зубів статора може змінити розподіл магнітного поля та зменшити пульсації крутного моменту. Дослідження показують, що додавання додаткових пазів 0,5 мм може зменшити пульсації крутного моменту на 0,25 відсоткових пунктів.
Багатоцільова оптимізація:
Всебічно врахуйте вплив коефіцієнта дуги на потужність крутного моменту, пульсації крутного моменту, втрати чавуну та втрати міді, щоб знайти найкращий компроміс, який відповідає багатьом вимогам до продуктивності.
06 Практичні застосування та приклади
У практичних застосуваннях оптимізація коефіцієнта дуги принесла значні покращення продуктивності:
Роботизовані моментні двигуни:
Дослідження показують, що такі заходи, як оптимізація коефіцієнта полюсної дуги, можуть зменшити вплив насичення залізного сердечника на характеристики крутного моменту, покращуючи лінійність кривої крутного моменту двигуна та зменшуючи коливання крутного моменту.
Безкаркасний дизайн двигуна:
Безкаркасний двигун для колаборативного робота з використанням 24-слотової 28-полюсної конструкції та оптимізації параметрів (включно з коефіцієнтом дуги) досяг номінального крутного моменту 0,52 Нм, максимального крутного моменту 1,2 Нм, тоді як крутний момент зубчастого приводу становив лише 0,0047 Нм, утримуючи коефіцієнт пульсацій крутного моменту нижче 1%.
Застосування масиву Halbach:
Використання роторної конструкції з масивом Halbach порівняно з традиційними поверхневими магнітами може збільшити постійний крутний момент на 7,6% за номінальних умов і на 21,6% за умов перевантаження.
07 Майбутні тенденції розвитку
З технологічним прогресом оптимізація коефіцієнта дуги магніту ротора в безкаркасних моментних двигунах продовжує прогресувати:
Мультифізичний аналіз зчеплення:
Майбутня оптимізація не лише враховуватиме електромагнітні характеристики, але й інтегруватиме вплив багатьох фізичних полів, таких як теплові характеристики та механічні навантаження.
Застосування нових матеріалів:
Розробка та застосування нових матеріалів постійного магніту надасть більше можливостей для розробки коефіцієнта дуги, наприклад магнітних матеріалів з кращими характеристиками проти розмагнічування при високих температурах.
Інтелектуальний дизайн:
Використовуйте алгоритми штучного інтелекту для прискорення процесу оптимізації коефіцієнта дуги, досягнення автоматизації та оптимізації конструкції двигуна.
Індивідуальні рішення:
Розробляйте індивідуальні рішення для оптимізації коефіцієнта дуги, адаптовані до характеристик різних сценаріїв застосування (наприклад, роботизовані суглоби, медичне обладнання, дрони).
Оптимізація коефіцієнта дуги є лише частиною конструкції безрамного моментного двигуна, але її синергічний ефект із такими параметрами, як кількість полюсів, ширина зуба статора та довжина повітряного зазору, може створити більш потужне та точне джерело живлення.
У майбутньому із застосуванням нових матеріалів і інтелектуальних технологій проектування оптимізація коефіцієнта дуги стане точнішою, відкриваючи нові можливості для застосування високоточних двигунів.
