胡文廣 于婷

摘 要：本文分別介紹了稀土永磁交流伺服電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和特點(diǎn);并對(duì)目前流行的分?jǐn)?shù)槽集中繞組伺服電機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹;同時(shí)對(duì)多相永磁交流伺服電機(jī)、永磁直線交流伺服電機(jī)等其他永磁伺服電機(jī)也做了簡(jiǎn)單介紹。

關(guān)鍵詞：伺服電機(jī);永磁電機(jī);結(jié)構(gòu)型式;設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1 概述

電機(jī)是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，除極少數(shù)特殊原理電機(jī)外，都是基于電磁感應(yīng)原理，以磁場(chǎng)為媒介實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。按繞組中流過電流的性質(zhì)可分為直流電機(jī)或交流電機(jī)，電機(jī)中主磁場(chǎng)的建立可以是通電繞組產(chǎn)生，也可以是由永磁體產(chǎn)生的。由永磁體建立主磁場(chǎng)的電機(jī)稱為永磁電機(jī)，與普通電勵(lì)磁電機(jī)相比，它具有體積小、重量輕、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用量大面廣的主要電機(jī)品類。

伺服電機(jī)是電氣伺服系統(tǒng)的核心部件，對(duì)外而言，它是伺服系統(tǒng)的執(zhí)行部件，而在伺服系統(tǒng)內(nèi)部，它又是伺服控制器的控制對(duì)象。人們對(duì)伺服系統(tǒng)的研究，始終是圍繞伺服電機(jī)類型以及如何精確控制所進(jìn)行的，因而，伺服電機(jī)是整個(gè)伺服系統(tǒng)的中心及根本，其性能的高低直接決定了伺服系統(tǒng)最終性能的優(yōu)劣。

2 稀土永磁交流伺服電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

永磁交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)種類豐富多彩，不僅有內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子之分，特殊設(shè)計(jì)的還有雙轉(zhuǎn)子或雙定子結(jié)構(gòu)（如船艦螺旋槳用對(duì)旋電機(jī)，新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)等），但按磁場(chǎng)方向主要有徑向磁場(chǎng)和軸向磁場(chǎng)兩種基本結(jié)構(gòu)，常用永磁交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)主要采用徑向磁場(chǎng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

一般而言，永磁交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要有永磁體表貼式、內(nèi)置式、表貼內(nèi)置混合式等幾種基本結(jié)構(gòu)形式。

2.1 表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

表面貼裝式轉(zhuǎn)子直接將永磁體用膠粘的方式貼于轉(zhuǎn)子鐵心外圓表面，這種結(jié)構(gòu)的直軸和交軸電感相等，屬于隱極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，特別適合于id=0的伺服控制。根據(jù)轉(zhuǎn)子尺寸的大小或電機(jī)性能的要求，每極永磁體可以是一整塊也可以采用多塊小瓦形拼接而成，對(duì)于平行充磁的磁體，這種拼塊磁極較整塊磁極雖然工藝難度增加，但它的優(yōu)點(diǎn)是氣隙磁場(chǎng)更接近方波。對(duì)無刷電機(jī)來說，有利于提高電機(jī)的力能指標(biāo)，改善力矩波動(dòng)，并降低永磁體內(nèi)部的渦流損耗;對(duì)于小型電機(jī)，現(xiàn)在的工藝已經(jīng)可以做到用圓環(huán)形磁體多極整體充磁總體來說，表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，而且容易優(yōu)化設(shè)計(jì)磁極形狀以使氣隙磁密滿足所需波形。

2.2 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

內(nèi)置式轉(zhuǎn)子摒棄了慣常采用的粘接結(jié)構(gòu)，直接將永磁體嵌入到轉(zhuǎn)子內(nèi)部。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的直軸和交軸電感不相等，在永磁轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上迭加了磁阻轉(zhuǎn)矩，磁阻轉(zhuǎn)矩的存在有利于提高電機(jī)的過載能力和功率密度。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)還易于弱磁調(diào)速，擴(kuò)大恒功率范圍運(yùn)行，但這種結(jié)構(gòu)可能轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，尤其要注意磁路的漏磁，需要合理設(shè)計(jì)隔磁橋。由于永磁體內(nèi)嵌，因而其放置方式比較靈活，可以根據(jù)性能的需要靈活采用徑向式、切向式及混合式等多種放置方式。因此，內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁交流伺服電機(jī)在控制上具有更大的靈活性，可采用id=0控制、最大轉(zhuǎn)矩控制、功率因素控制以及較大范圍的弱磁控制等。

2.3 混合式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

混合磁路轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是表貼與內(nèi)置兩種結(jié)構(gòu)的組合體，具備兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，可以有效提高氣隙磁密和電機(jī)的功率密度。對(duì)傳統(tǒng)的混合式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓展，還可以派生出更多的廣義混合式結(jié)構(gòu)形式，如在內(nèi)置式的基本結(jié)構(gòu)上采用兩種或以上不同永磁體材料混合使用，可有效提升產(chǎn)品的性價(jià)比;或者采用永磁與電勵(lì)磁組合的形式，有利于擴(kuò)大調(diào)速比以及在低速下獲得更大的轉(zhuǎn)矩;另外，還可以采用徑向磁場(chǎng)與軸向磁場(chǎng)的混合形式等。

3 分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁交流伺服電機(jī)

在永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)中使用的y=1的分?jǐn)?shù)槽集中繞組電機(jī)具有如下特點(diǎn)：

槽數(shù)較少，槽滿率高，繞組端部很小，電動(dòng)機(jī)的空間利用率，電機(jī)的體積重量比分布繞組電機(jī)降低15%以上;統(tǒng)計(jì)表明用銅量較傳統(tǒng)整數(shù)槽電機(jī)減少可達(dá)40%，從而提高電機(jī)的效率及功率密度;同時(shí)它以較少槽數(shù)得到比它槽數(shù)多很多的分布繞組相同的分布效果，且對(duì)齒諧波反電勢(shì)有較強(qiáng)削弱作用，可改善反電勢(shì)波形的正弦性，降低齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，有利于降低振動(dòng)和噪聲;除此之外，獨(dú)特的結(jié)構(gòu)工藝更是分?jǐn)?shù)槽集中繞組的最大優(yōu)點(diǎn)，單齒中繞組便于使用專用繞線機(jī)在齒上進(jìn)行線圈直繞，取代傳統(tǒng)嵌線工藝，大幅度提高工效;定子鐵心采用分段拼裝式結(jié)構(gòu)，不僅可以大大簡(jiǎn)化繞線工藝，實(shí)現(xiàn)大批量自動(dòng)化生產(chǎn)，也使得硅鋼片的利用率大大提高，極大的降低成本，因此該類電機(jī)的性價(jià)比在目前市場(chǎng)中已顯示出無可比擬的優(yōu)越性。

4? 其他永磁伺服電機(jī)

4.1多相永磁交流伺服電機(jī)

多相電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，首先，電機(jī)相數(shù)增大，可以消除低次磁動(dòng)勢(shì)諧波，使繞組磁動(dòng)勢(shì)中的諧波含量顯著減小，使得由其引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)頻率增大，幅值減小，從降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的角度來講，相數(shù)越多越好。第二，在其他相同的情況下，多相電機(jī)的繞組系數(shù)隨著相數(shù)的增大而增加，從而使產(chǎn)生同樣轉(zhuǎn)矩的基波電流減小，定子的銅耗降低。第三，對(duì)于非正弦多相電機(jī)，在相同的電流有效值情況下，可以通過諧波電流注入來提高轉(zhuǎn)矩輸出，從而提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度。第四，多相電機(jī)由于相數(shù)多，當(dāng)有一相至幾相出現(xiàn)開路故障時(shí)，電機(jī)仍能正常起動(dòng)并降功率運(yùn)行，通過適當(dāng)?shù)目刂撇呗钥梢跃S持高性能運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的可靠性。

4.2永磁直線交流伺服電機(jī)（PMLSM）

直線電機(jī)簡(jiǎn)單理解就是在結(jié)構(gòu)上將旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開，并展開成平面而成，其運(yùn)行原理與旋轉(zhuǎn)電機(jī)類似。直線電機(jī)按結(jié)構(gòu)分類，主要分為平板型圓筒型（或管型）弧型和圓盤型等，其中平板型是最基本的結(jié)構(gòu)，又可以分為單邊型和雙邊型。按工作原理，主要可分為直線交流感應(yīng)電機(jī)、直線交流同步電機(jī)、直線直流電機(jī)和直線步進(jìn)電機(jī)等。因直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式去除了中間傳動(dòng)及變換環(huán)節(jié)，具有旋轉(zhuǎn)電機(jī)+中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)無法比擬的高效、高速、高精度優(yōu)點(diǎn)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用，國(guó)際上許多知名伺服驅(qū)動(dòng)公司均有高質(zhì)量的直線電機(jī)產(chǎn)品。

5 結(jié)語

本文簡(jiǎn)要介紹永磁交流伺服電機(jī)的概念，類別發(fā)展歷史及現(xiàn)狀，從分布繞組電機(jī)到分?jǐn)?shù)槽集中繞組電機(jī);從典型的稀土永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)到直線伺服等其他類別永磁電機(jī);在結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢(shì)、相關(guān)技術(shù)問題及設(shè)計(jì)特點(diǎn)等多方面對(duì)現(xiàn)代高性能永磁交流伺服電機(jī)進(jìn)行了較為全面的總結(jié)，希望為對(duì)永磁交流伺服電機(jī)感興趣的人們提供一定的幫助。

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