永磁電機在現代高性能伺服系統中的應用

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生，也可以是由永磁體產生的。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的核心部件，對外而言，它是伺服系統的執行部件，而在伺服系統內部，它又是伺服控制器的控制對象。人們對伺服系統的研究，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的中心及根本，其性能的高低直接決定了伺服系統最終性能的優劣。

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，現在的工藝已經可以做到用圓環形磁體多極整體充磁總體來說，表貼式轉子結構簡單，電機動態響應快，轉矩脈動小，而且容易優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，具備兩種結構的優點，可以有效提高氣隙磁密和電機的功率密度。對傳統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的分數槽集中繞組電機具有如下特點：

槽數較少，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;統計表明用銅量較傳統整數槽電機減少可達40%，從而提高電機的效率及功率密度;同時它以較少槽數得到比它槽數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槽集中繞組的最大優點，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，實現大批量自動化生產，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

多相電機有很多優點，首先，電機相數增大，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，相數越多越好。第二，在其他相同的情況下，多相電機的繞組系數隨著相數的增大而增加，從而使產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，多相電機由于相數多，當有一相至幾相出現開路故障時，電機仍能正常起動并降功率運行，通過適當的控制策略可以維持高性能運行，提高了系統的可靠性。

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節，具有旋轉電機+中間轉換環節無法比擬的高效、高速、高精度優點，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品。

5 結語

本文簡要介紹永磁交流伺服電機的概念，類別發展歷史及現狀，從分布繞組電機到分數槽集中繞組電機;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、優勢、相關技術問題及設計特點等多方面對現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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