工业机器人永磁同步电机温度场分析

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1、广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）工业机器人永磁同步电机温度场分析谭耿锐二零一八年六月分类号：学校代号：11845UDC：密级：学号：2111504015广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）工业机器人永磁同步电机温度场分析谭耿锐指导教师姓名、职称：黄开胜、教授学科(专业)或领域名称：电气工程学生所属学院：自动化学院论文答辩日期：2018年6月2日ADissertationSubmittedtoGuangdongUniversityofTechnologyfortheDegreeofMaster(MasterofEngineeringScience)Anal

2、ysisofTemperatureFieldofPermanentMagnetSynchronousMotorsforIndustrialRobotsCandidate:TanGengruiSupervisor:Prof.HuangKaishengJun2018SchoolofAutomationGuangdongUniversityofTechnologyGuangzhou,Guangdong,P.R.China,510006摘要摘要工业机器人产业近年来发展迅猛，其关节部位使用的永磁同步电机体积小、过载倍数高、功率密度大。工业机器人永磁同步电机的温升问题比

3、较突出，温升过高将会严重影响其使用寿命及可靠性。为确保电机能够长期安全高效地运行，需要考虑电机的热容量，所以很有必要对电机进行温度场分析。本文研究内容来源于工业机器人研发与应用的项目，其中一项研究任务是关于2kW永磁同步伺服电机的设计，要求过载倍数达到3.3倍，过载倍数比同一类型的普通电机要高10%。本文阐述了工业机器人永磁同步电机的结构与数学模型，根据永磁同步电机设计的经验公式及过载等要求设定电机的结构和尺寸，并用磁路法运算验证电机参数设计的合理性和正确性。使用有限元软件Maxwell对所设计电机进行有限元仿真，计算并分析电机在空载、额定负载、3.3倍过载

4、下的磁密、电密及损耗等。然后基于传热学基本理论，采用有限元电磁场-温度场耦合的方法，对电机三维温度场进行计算分析。永磁电机的热交换过程复杂，对电机的模型进行等效简化处理，以简化运算。使用ANSYS软件建立电机的三维模型，并根据传热学相关理论及公式，计算和修正涉及到温度场计算的材料热属性和边界系数，包括气隙层的导热系数、硅钢片的各向异性导热系数以及传热散热的系数。使用ANSYS软件，对电机三维模型进行额定负载及3.3倍负载的温度场仿真，得到电机三维模型的热分布。并仿真电机在不同工作环境温度、不同过载倍数下的温度场，总结电机在过载1.5、2、2.5、3倍时的短时

5、过载温升性能。研究结果表明，在额定负载下电机的温升在合理范围内；电机在3.3倍过载运行时，温升在合理范围内最长可运行68秒，满足工业机器人的短时过载要求。最后通过样机测试验证本文电机参数和研究方法的可行性，对同类永磁电机的研究和设计具有参考价值。关键词：工业机器人；永磁同步电机；温度场；过载倍数I广东工业大学硕士学位论文AbstractInrecentyears,theindustrialrobotindustryhasdevelopedrapidly.Thepermanentmagnetsynchronousmotorusedinrobots’jointh

6、asasmallsize,highoverloadratio,andhighpowerdensity.ThetemperatureriseofthePMSMusedinindustrialrobotsisquiteprominent.Excessivetemperaturerisewillseriouslyaffectitsservicelifeandreliability.ToensurethatthePMSMcanoperatesafelyandefficientlyforalongperiodoftime,itisnecessarytoconsider

7、thermalcapacityofthemotor.Sotheanalyzeoftemperaturefieldisveryimportantandessential.Thecontentofthisstudycomesfromthedevelopmentandapplicationofindustrialrobots.Oneofitsresearchmissionsisthedesignof2kWPMSM.Theoverloadratioofthemotoris3.3times,anditis10%higherthancommonmotorofthesam

8、etype.Thispaperdescribesth