永磁同步伺服電動機研究

吳 牮

（重慶電子工程職業(yè)學院，重慶 401331）

1 概述

電機是人類第二次技術革命的標志性產物之一。自19世紀30年代至20世紀中葉100a 左右的時間內，電機的相關理論與技術其實已基本成熟，各種類型的電機（特別是大容量發(fā)電機、大功率動力型電動機）也已經(jīng)大致定型。盡管如此，20世紀中葉以后，隨著電子計算機控制技術、電力電子技術、材料科學技術、電機控制理論與技術的快速發(fā)展，新型的、高性能的電動機仍然不斷涌現(xiàn)，其中非常典型的類型便是伺服電動機。然而，縱觀過去二三十年，人們雖然在大量使用伺服電動機，但對伺服電動機并沒有清晰明確的認識，各種教科書與文獻資料給出的定義也各有差別，這種概念上的模糊甚至混亂認知在企業(yè)一線技術人員、院所科技人員、高校教師及學生中均有體現(xiàn)。自動化系統(tǒng)中廣為使用的三相永磁同步伺服電動機和直流無刷電動機結構較為相似，文章就二者的關系和屬性作了一些簡要解析與討論。

2 伺服電動機的概念

電動機的種類繁多，我們可以根據(jù)電動機的參數(shù)特征、容量范圍、應用領域及功能等方面來對其進行類別劃分。如果按照電動機運動控制的品質高低以及控制輸出的復雜度來歸類，可將電動機大致分為普通動力電機及控制電動機兩大類。伺服電動機便是控制電動機中的一個大類。從控制工程角度廣義的理解，伺服電動機指具備高品質運動控制特征的驅動電機，具有控制輸出精度高、動態(tài)響應快、運行穩(wěn)定性好的特點，可以是直流機也可以是交流機、可以是同步機也可以是異步機，可以實現(xiàn)常見的位移（或位置）伺服控制輸出、速度伺服控制輸出，也能實現(xiàn)加速度以及更高階運動參量的伺服控制輸出。伺服電動機通常在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件來使用，從容量范圍來看，伺服電動機絕大部分屬于小型或微型電動機。

有刷直流伺服電動機是一種應用較早且發(fā)展充分的伺服驅動電機，主要包含傳統(tǒng)型直流伺服電動機、盤式直流伺服電動機、空心杯轉子直流伺服電動機、無槽電樞直流伺服電動機等類型。特別是傳統(tǒng)型他勵、并勵式直流伺服電動機，由于其在高性能調速運行方面的優(yōu)異性能以及成熟可靠的生產制造工藝而得到廣泛推廣應用，以至于在當今交流伺服驅動技術日益完善的背景下，在部分特種裝備上仍然采用這種電動機作為驅動電機。由于控制上的難度，交流伺服驅動技術及交流伺服電動機的發(fā)展相對較晚，但自20世紀70年代以來，隨著微型計算機技術、電力電子技術、微電子技術、材料科學技術的快速發(fā)展以及交流電機矢量控制原理的發(fā)現(xiàn)與成功實踐，交流伺服驅動技術取得了跨越式進步并逐漸成為電伺服驅動的主流，相應地交流伺服電動機的類型也出現(xiàn)了多樣化的趨勢，各類交流伺服電動機的性能也有了質的提升。

特別值得注意的是，20世紀80年代以后，隨著高性能稀土永磁材料的逐步推廣使用，在小型、微型容量范圍之內各種類型永磁電機紛紛取代了傳統(tǒng)電勵磁電機，尤其是在先進的微機控制技術以及基于高品質電力電子器件的驅動電源加持下，永磁電機在很多性能上實現(xiàn)了對電勵磁電機的全面超越并達到了新的高度。在此背景下，高性能的永磁式同步伺服電動機產生，成為了當代驅動領域的亮點之一。

3 永磁同步伺服電動機

3.1 永磁同步伺服電動機的結構

永磁同步伺服電動機由定子、轉子、端蓋及輔件構成，如圖1所示為6極、4極的兩臺永磁同步伺服電動機的定、轉子斷面圖（無電樞繞組）。定子為同步電動機的電樞，結構與異步電動機、電勵磁同步電動機定子相似，主要包含由硅鋼片疊壓的鐵芯、三相對稱繞組、機座（機殼）。其中定子（電樞）繞組和普通微型三相同步、異步機基本相同，大多采用單層普通三相交流繞組星形聯(lián)接，電樞多數(shù)采用整數(shù)槽的構造，少數(shù)也采用分數(shù)槽構造。整數(shù)槽通常采用分布短距繞組，分數(shù)槽繞組除采用分布短距繞組外，還常常采用節(jié)距為y=1的集中繞組。

永磁同步電動機用永磁體取代了電勵磁同步電動機轉子上的勵磁繞組，故其構造上的差別主要體現(xiàn)在轉子上。永磁同步電動機轉子結構有多種不同的形式，主要和磁極的構造有關。轉子磁極構造不同，則電動機的運行性能、制造工藝和適用的場合也不同，如圖1所示。

3.1.1 永磁體表裝式轉子結構

（1）表貼式。如圖2（a）所示為表貼式。表貼式轉子制造工藝簡單、成本低。永磁磁極易于實現(xiàn)最優(yōu)設計，可使電動機氣隙磁通密度波形接近于矩形波或正弦波，能顯著提高電動機及整個傳動系統(tǒng)的性能。對于采用稀土永磁材料的電機而言，由于永磁材料的磁導率接近1，與空氣相當，故電動機定、轉子之間永磁體部分空間按空氣隙處理，電動機的整個氣隙可以認為是均勻的，因而表貼式轉子屬于隱極式轉子結構。在電磁性能上，這種永磁電動機與電勵磁隱極同步電動機接近。

圖2 永磁體表裝式轉子

（2）表面嵌入式。如圖2（b）所示為表面嵌入式結構。與表貼式相比，這種轉子的電機氣隙不再均勻，定子鐵芯內圓對應永磁磁極段的氣隙要大于對應極間鐵芯段，轉子呈現(xiàn)凸極特性，這種永磁電動機電磁性能與電勵磁凸極同步電動機接近。

3.1.2 永磁體內置式轉子結構

這種結構中，永磁體位于轉子內部。永磁體外表面與轉子鐵芯外圓之間有鐵磁材料制作的極靴，極靴中放置鑄鋁籠或銅條籠，起到起動和阻尼的作用。這種構造的永磁同步電動機動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能俱佳，廣泛用于要求有異步啟動能力或動態(tài)性能要求很高的同步電動機，除伺服驅動電動機以外，部分動力型永磁同步電動機通常也采用這種結構。

按永磁體磁化方向與轉子旋轉方向的相互關系，內置式轉子結構又可分為徑向式、切向式和混合式3種。如圖3（a）所示為常見的徑向式結構，圖3（b）所示為切向式結構。

3.2 永磁同步伺服電動機的兩種類型及各自特點

對于永磁同步伺服電動機而言，通常將電樞繞組中反電動勢波形為梯形波、電樞電流為方波的永磁同步電動機稱為方波永磁同步電動機，也叫做無刷直流電動機（BLDCM）；而將反電動勢波形和電樞電流波形為正弦波的永磁同步電動機稱為正弦波永磁同步電動機（PMSM），這兩種永磁同步電動機在結構上幾乎完全相同，但工作機理、電磁模型以及控制方法上均有所不同。

BLDCM 通常采用120°導通型逆變器，電動機的供電電壓為直流矩形波。一般情況下，定子三相繞組為每次一相通電或每次二相同時通電實現(xiàn)輪流導通，并在一相或二相電樞繞組內流過接近矩形波的斷續(xù)電流，從而在氣隙內形成跳躍式的旋轉磁場，由于電樞電流穩(wěn)恒，該類電機具備直流電動機的本質屬性，故人們通常將一臺定、轉子反裝的有刷永磁直流電動機來與其作比較。PMSM 通常采用180°導通型逆變器，電動機供電電壓為三相正弦脈寬調制波，定子（電樞）三相繞組同時導通，并流過三相對稱的接近正弦規(guī)律的連續(xù)電流，在氣隙中形成連續(xù)的旋轉磁場，這使得該類電機具備三相交流電機的本質屬性。

4 結束語

綜上所述，伺服電動機是基于控制工程衍生出來的一個新概念，其不能按傳統(tǒng)電機分類方式進行歸類，可能由各種傳統(tǒng)類型電動機植入新的要素后改進發(fā)展而來，其品質的優(yōu)劣也須從其控制輸出參量的精度、響應的快速性、運行的穩(wěn)定性等方面進行鑒定。PMSM、BLDCM 并非完全不相干的兩類電動機，具有相同的結構，但因其驅動控制方式上的差異導致了在電磁行為上各自具備了交流電動機及直流電動機的特征，故將其統(tǒng)一歸于“永磁同步伺服電動機”。