永磁電機在現(xiàn)代高性能伺服系統(tǒng)中的應用

胡文廣 于婷

摘 要：本文分別介紹了稀土永磁交流伺服電機的定、轉子結構和特點;并對目前流行的分數(shù)槽集中繞組伺服電機的特點進行了介紹;同時對多相永磁交流伺服電機、永磁直線交流伺服電機等其他永磁伺服電機也做了簡單介紹。

關鍵詞：伺服電機;永磁電機;結構型式;設計特點

1 概述

電機是一種機電能量轉換裝置，除極少數(shù)特殊原理電機外，都是基于電磁感應原理，以磁場為媒介實現(xiàn)電能與機械能的轉換。按繞組中流過電流的性質可分為直流電機或交流電機，電機中主磁場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的電機稱為永磁電機，與普通電勵磁電機相比，它具有體積小、重量輕、效率高、結構簡單等諸多優(yōu)點，是目前應用量大面廣的主要電機品類。

伺服電機是電氣伺服系統(tǒng)的核心部件，對外而言，它是伺服系統(tǒng)的執(zhí)行部件，而在伺服系統(tǒng)內部，它又是伺服控制器的控制對象。人們對伺服系統(tǒng)的研究，始終是圍繞伺服電機類型以及如何精確控制所進行的，因而，伺服電機是整個伺服系統(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的基本結構和特點

永磁交流伺服電機結構種類豐富多彩，不僅有內轉子和外轉子之分，特殊設計的還有雙轉子或雙定子結構（如船艦螺旋槳用對旋電機，新能源汽車驅動電機等），但按磁場方向主要有徑向磁場和軸向磁場兩種基本結構，常用永磁交流伺服電機的結構主要采用徑向磁場的內轉子結構。

一般而言，永磁交流伺服電機轉子結構主要有永磁體表貼式、內置式、表貼內置混合式等幾種基本結構形式。

2.1 表貼式轉子結構

表面貼裝式轉子直接將永磁體用膠粘的方式貼于轉子鐵心外圓表面，這種結構的直軸和交軸電感相等，屬于隱極轉子結構，特別適合于id=0的伺服控制。根據(jù)轉子尺寸的大小或電機性能的要求，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)點是氣隙磁場更接近方波。對無刷電機來說，有利于提高電機的力能指標，改善力矩波動，并降低永磁體內部的渦流損耗;對于小型電機，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，表貼式轉子結構簡單，電機動態(tài)響應快，轉矩脈動小，而且容易優(yōu)化設計磁極形狀以使氣隙磁密滿足所需波形。

2.2 內置式轉子結構

內置式轉子摒棄了慣常采用的粘接結構，直接將永磁體嵌入到轉子內部。內置式轉子結構的直軸和交軸電感不相等，在永磁轉矩的基礎上迭加了磁阻轉矩，磁阻轉矩的存在有利于提高電機的過載能力和功率密度。內置式轉子結構還易于弱磁調速，擴大恒功率范圍運行，但這種結構可能轉矩脈動大，尤其要注意磁路的漏磁，需要合理設計隔磁橋。由于永磁體內嵌，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，內置式轉子結構的永磁交流伺服電機在控制上具有更大的靈活性，可采用id=0控制、最大轉矩控制、功率因素控制以及較大范圍的弱磁控制等。

2.3 混合式轉子結構

混合磁路轉子結構是表貼與內置兩種結構的組合體，具備兩種結構的優(yōu)點，可以有效提高氣隙磁密和電機的功率密度。對傳統(tǒng)的混合式轉子結構進行拓展，還可以派生出更多的廣義混合式結構形式，如在內置式的基本結構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)品的性價比;或者采用永磁與電勵磁組合的形式，有利于擴大調速比以及在低速下獲得更大的轉矩;另外，還可以采用徑向磁場與軸向磁場的混合形式等。

3 分數(shù)槽集中繞組永磁交流伺服電機

在永磁交流伺服電動機中使用的y=1的分數(shù)槽集中繞組電機具有如下特點：

槽數(shù)較少，槽滿率高，繞組端部很小，電動機的空間利用率，電機的體積重量比分布繞組電機降低15%以上;統(tǒng)計表明用銅量較傳統(tǒng)整數(shù)槽電機減少可達40%，從而提高電機的效率及功率密度;同時它以較少槽數(shù)得到比它槽數(shù)多很多的分布繞組相同的分布效果，且對齒諧波反電勢有較強削弱作用，可改善反電勢波形的正弦性，降低齒槽轉矩和轉矩波動，有利于降低振動和噪聲;除此之外，獨特的結構工藝更是分數(shù)槽集中繞組的最大優(yōu)點，單齒中繞組便于使用專用繞線機在齒上進行線圈直繞，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構，不僅可以大大簡化繞線工藝，實現(xiàn)大批量自動化生產(chǎn)，也使得硅鋼片的利用率大大提高，極大的降低成本，因此該類電機的性價比在目前市場中已顯示出無可比擬的優(yōu)越性。

4? 其他永磁伺服電機

4.1多相永磁交流伺服電機

多相電機有很多優(yōu)點，首先，電機相數(shù)增大，可以消除低次磁動勢諧波，使繞組磁動勢中的諧波含量顯著減小，使得由其引起的轉矩波動頻率增大，幅值減小，從降低轉矩波動的角度來講，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)生同樣轉矩的基波電流減小，定子的銅耗降低。第三，對于非正弦多相電機，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矩輸出，從而提高電機轉矩密度。第四，多相電機由于相數(shù)多，當有一相至幾相出現(xiàn)開路故障時，電機仍能正常起動并降功率運行，通過適當?shù)目刂撇呗钥梢跃S持高性能運行，提高了系統(tǒng)的可靠性。

4.2永磁直線交流伺服電機（PMLSM）

直線電機簡單理解就是在結構上將旋轉電機沿徑向剖開，并展開成平面而成，其運行原理與旋轉電機類似。直線電機按結構分類，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構，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電機、直線交流同步電機、直線直流電機和直線步進電機等。因直線電機驅動方式去除了中間傳動及變換環(huán)節(jié)，具有旋轉電機+中間轉換環(huán)節(jié)無法比擬的高效、高速、高精度優(yōu)點，得到了越來越廣泛的應用，國際上許多知名伺服驅動公司均有高質量的直線電機產(chǎn)品。

5 結語

本文簡要介紹永磁交流伺服電機的概念，類別發(fā)展歷史及現(xiàn)狀，從分布繞組電機到分數(shù)槽集中繞組電機;從典型的稀土永磁旋轉電機到直線伺服等其他類別永磁電機;在結構、優(yōu)勢、相關技術問題及設計特點等多方面對現(xiàn)代高性能永磁交流伺服電機進行了較為全面的總結，希望為對永磁交流伺服電機感興趣的人們提供一定的幫助。

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