1、低速直驅(qū)式永磁伺服電動機,電氣工程學院電機研究所2014 李光友,主要內(nèi)容 1. 概述 2. 特殊問題分析 3. 應(yīng)用和發(fā)展趨勢,高速電機,減速箱,低速負載,減速驅(qū)動,低速電機,低速負載,直接驅(qū)動,1.概述,1.概述,低速直驅(qū)伺服電動機是一種可以和負載裝配在一起的、將電訊號直接轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩的裝置。其特點是外形扁薄，有較大的外徑和較小的軸向尺寸，可以做成無框架式的、轉(zhuǎn)子中心有一個大孔便于直接安裝到被驅(qū)動的負載軸上。在應(yīng)用上具有較大的靈活性，適用于要求系統(tǒng)尺寸小、重量輕、功率消耗少、反應(yīng)快速、位置或速度準確度高的場合。特別適用于高 “堵轉(zhuǎn)”力矩運行的位置隨動系統(tǒng)和高力矩低速運行的速度控制系統(tǒng)。,無框

2、架式,有框架式,1.概述,1.1 直驅(qū)電機的主要優(yōu)點 耦合剛度高。直驅(qū)電動機是直接與負載耦合，實現(xiàn)了無齒輪傳動。沒有齒輪，沒有間隙誤差，高的耦合剛度使系統(tǒng)有高的機械共振頻率，從很本上克服了由于齒輪嚙合間隙給系統(tǒng)帶來的不利因素。 轉(zhuǎn)矩/慣量比大和摩擦損耗小。一般電動機通過齒輪減速箱驅(qū)動負載軸，使輸出到負載軸上的力矩/慣量比減小，直驅(qū)電動機不存在這個問題。一般電動機系統(tǒng)，減速箱傳動摩擦力矩造成功率損耗。直驅(qū)電動機系統(tǒng)的摩擦力矩可以減到最小。,1.概述,快速響應(yīng)。低速直驅(qū)電動機，由于 轉(zhuǎn)矩/慣量 比大，機電時間常數(shù)一般僅為12ms。比一般伺服電動機小一個數(shù)量級。 高位置分辨率。齒輪傳動的系統(tǒng)中，齒輪

3、嚙合間隙的存在，使系統(tǒng)在零點附近造成一個 “死區(qū)”，因而降低了位置準確度，同樣靜阻力矩較大也使系統(tǒng)靜態(tài)精度降低。直驅(qū)電動機系統(tǒng)的位置精確度僅與誤差檢測有關(guān)。 調(diào)速范圍大和低速運行穩(wěn)定。一般電動機轉(zhuǎn)速在40r/min以下就出現(xiàn)轉(zhuǎn)速抖動現(xiàn)象。低速直驅(qū)電動機可在0.6r/min秒的低速下平穩(wěn)運行。,1.概述,線性度高。低速直驅(qū)電動機的轉(zhuǎn)矩特性表明，力矩增長正比于輸入電流，轉(zhuǎn)矩特性是線性的。沒有由于轉(zhuǎn)矩非線性所造成的 “死區(qū)”。 結(jié)構(gòu)簡單緊湊。無框架的直驅(qū)低速電動機可以做成是被驅(qū)動裝置整體的一部份，可以省去電動機本身的框架外殼，省去減速箱，使伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)零件減少50%以上，大大節(jié)省設(shè)計和制造的技術(shù)費

4、用和生產(chǎn)成本，有很好的經(jīng)濟效益。,1.概述,1.2 低速直驅(qū)電動機的主要類型 永磁無刷電動機，包括無刷直流電動機和永磁同步電動機。 橫向磁場電機。橫向磁場電機，從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了電路和磁路解耦, 具有轉(zhuǎn)矩密度高、結(jié)構(gòu)簡單、效率高等顯著優(yōu)點。,超聲波電動機。超聲波電動機利用壓電陶瓷材料PZT 或高分子VDF 薄膜材料的逆壓電效應(yīng), 通過轉(zhuǎn)換壓電振子的超聲振動形成驅(qū)動能力, 實現(xiàn)超聲波振動能轉(zhuǎn)換成機械能。與電磁型電機相比, 具有結(jié)構(gòu)緊湊簡單、能量密度大、易調(diào)速、精度高、斷電自鎖、噪聲小以及抗電磁干擾能力強等優(yōu)點 。,直線電機。直線電機具有一系列優(yōu)點：不存在中間環(huán)節(jié),可高速進行高精度跟蹤與定位；不會受到

5、離心力作用, 因而速度理論上可不受限制；進給行程長度不受限制；結(jié)構(gòu)簡單, 噪聲低。這一電機的不足之處表現(xiàn)為效率和功率因數(shù)較低以及端部效應(yīng)明顯。,在同步電機中轉(zhuǎn)速 ，要降低電機的轉(zhuǎn)速可以采用增加電機極對數(shù)或降低電源頻率的辦法來實現(xiàn)?？紤]到低頻方面的低限問題，使得通過采用降低電源頻率來實現(xiàn)低速目的的方法具有一定的局限性。因此在低速應(yīng)用方面，應(yīng)首先采用增加電機極對數(shù)的方法。 在傳統(tǒng)的電機結(jié)構(gòu)中，增加電機的極對數(shù)后應(yīng)該相應(yīng)的增加電機的槽數(shù)，由于電機本身結(jié)構(gòu)和加工工藝的要求，使得電機的槽數(shù)不能太多，于是便出現(xiàn)了分數(shù)槽電機。,2. 直驅(qū)式永磁伺服電動機分析,（1）分數(shù)槽繞組的構(gòu)成 每極每相槽數(shù) 為分數(shù)時，

6、稱為分數(shù)槽繞組。當q近似等于1/3 ,節(jié)距y=1時，稱為齒繞組，低速永磁同步電機常采用這種繞組。它具有以下優(yōu)點： 電機總槽數(shù)少，節(jié)省工時，槽利用率高。 繞組端部短，材料利用率高。 電機的軸向長度短。 電機的齒槽轉(zhuǎn)矩小。,2.1 分數(shù)槽繞組,舉例1：一臺6槽8極電機,6槽8極電機雙層繞組槽電勢星形圖,6槽8極電機雙層繞組結(jié)構(gòu)圖,6槽8極電機單層繞組結(jié)構(gòu)圖,6槽8極電機單層繞組槽電勢星形圖,舉例1：一臺12槽14極電機,12槽14極電機雙層繞組槽電勢星形圖,12槽14極電機雙層繞組結(jié)構(gòu)圖,A：1 2 7 8,B：9 10 3 4,C：5 6 11 12,12槽14極電機單層繞組結(jié)構(gòu),12槽14極電

7、機單層繞組槽電勢星形圖,A,B,C,并不是所有的三相雙層繞組都可化為三相單層繞組,A,B,C,（2） 分數(shù)槽繞組的電樞磁動勢 以上面的6槽8極電機為例,6槽8極電機雙層繞組一相繞組的磁動勢分布圖,6槽8極電機單層繞組一相繞組的磁動勢分布圖,與正弦分布差距很大，即含有較多的諧波分量。,單層繞組的氣隙磁動勢的峰值是雙層繞組的兩倍。,以12槽14極電機為例,12槽14極電機雙層繞組磁動勢和諧波成分分布圖,諧波極對數(shù)1 3 5 7 9 ,7次波為基波，低于7次波稱為分數(shù)次諧波。,12槽14極電機單層繞組磁動勢和諧波成分分布圖,（3） 常用y1分數(shù)槽繞組極槽配合,（4） 分數(shù)槽繞組的繞組系數(shù)計算 y1時

8、，一般 為小于1的真分數(shù)，因此可以等效為 、 的雙層繞組，因而有： t為電機電樞槽數(shù)Z與電機極對數(shù)p的最大公約數(shù)。,分布系數(shù)為：,短距系數(shù)為：,y1常見分數(shù)槽繞組槽繞組參數(shù),續(xù)表,2.2 齒槽轉(zhuǎn)矩及其削弱方法 （1）永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機理 齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機繞組不通電時，永磁體和鐵心之間的相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，其平均值為0，主要影響電機的低速性能。,永磁體與電樞的相對位置,當永磁體與鐵心有相對運動時，若磁場能量發(fā)生變化，則就會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，因為磁場能量變化是有定子鐵心開槽引起的，所以稱為齒槽轉(zhuǎn)矩，計算公式為,由于分數(shù)槽電機，各個極下定子齒與永磁體對應(yīng)位置不同，所以齒槽轉(zhuǎn)矩較整數(shù)槽電機小。,整數(shù)槽

9、（2極/6槽）,分數(shù)槽（8極/6槽）,（2）齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法 改變磁極參數(shù) 改變磁極參數(shù)是通過改變對齒槽轉(zhuǎn)矩起主要作用的的幅值，達到削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的目的。這類方法主要包括改變磁極的極弧系數(shù)、采用不等厚永磁體、磁極偏移、斜極、不等極弧系數(shù)組合等。,極弧系數(shù),磁極不等厚,磁極偏移,改變電樞參數(shù) 改變電樞參數(shù)能夠削弱齒槽轉(zhuǎn)矩。這類方法主要包括改變槽口寬度、改變齒的形狀、不等槽口寬、斜槽、開輔助槽等。,改變槽口寬度,開輔助槽,合理選擇電樞槽數(shù)和極數(shù) 在定轉(zhuǎn)子相對位置變化一個齒距的范圍內(nèi)，齒槽轉(zhuǎn)矩是周期性變化，變化的周期數(shù)取決于電樞槽數(shù)和極數(shù)的組合。,表示槽數(shù)z與極數(shù)2p的最大公約數(shù)。 Np 越大，齒槽轉(zhuǎn)

10、矩越小。 例如2極6槽電機， Np=1；而4極6槽電機，Np=2,3.低速永磁直驅(qū)電動機的應(yīng)用和發(fā)展趨勢 3.1 應(yīng)用 家用電器產(chǎn)品。以永磁無刷電動機替代單相交流異步電動機, 能夠?qū)崿F(xiàn)空調(diào)器、冰箱、洗衣機等家用電器的直驅(qū)變頻調(diào)速, 使其轉(zhuǎn)速隨工況自動調(diào)節(jié)，提高了節(jié)能、電磁兼容性能, 并且降低了噪聲。如:采用直驅(qū)式永磁無刷電動機的洗衣機效率可提高近30%, 同樣采用直驅(qū)式永磁無刷電動機的變頻空調(diào)效率可以提高近20%, 效果顯著。,電動交通工具。在直驅(qū)式電動汽車系統(tǒng)中, 永磁同步電動機系統(tǒng)以其高效、高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性及低振動噪聲的特點受到國外電動汽車界的高度重視, 尤其在日本

11、得到了極為廣泛的應(yīng)用。,電動自行車 電動汽車 電動機車,工業(yè)自動化設(shè)備領(lǐng)域。低速大力矩永磁無刷電動機可以省去機械設(shè)備中的傳動機構(gòu), 簡化結(jié)構(gòu), 滿足高效率、高精度、高性能的要求, 在數(shù)控機床、組合機床、自動紡織、印刷、包裝、冶金、郵政機械、自動化生產(chǎn)流水線和各種專用設(shè)備方面都有廣泛應(yīng)用。,傳統(tǒng)的游梁式抽油機,低速大轉(zhuǎn)矩電動機 控制柜 驅(qū)動輪 導向輪 傳動皮帶 平衡重 機架,直驅(qū)電機抽油機主要構(gòu)成,1,2,3,4,5,6,7,8,懸繩器,導向輪,電機最顯著的特點就是低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩。電機直接驅(qū)動滾輪裝置，無需減速機構(gòu)。,浙大開發(fā)的抽油機復式直驅(qū)永磁電機,無位置傳感器控制技術(shù)。傳統(tǒng)無刷直流電動機都需

12、要一套位置傳感器來確定轉(zhuǎn)子位置, 這一方面增加了成本, 另一方面可靠性與靈敏度易受環(huán)境的限制。所以, 無位置傳感器的位置信號檢測技術(shù)是發(fā)展的必然趨勢。目前常用檢測方法有反電動勢法、續(xù)流二極管法、電感法、狀態(tài)觀測器法等。總的來說, 國內(nèi)無位置永磁無刷電動機驅(qū)動系統(tǒng)的研究還處于試驗和探索, 距實用存有距離。,3.2 研究的熱點問題,轉(zhuǎn)矩脈動的抑制 。轉(zhuǎn)矩脈動包括由定子電流和轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生的脈動; 換相時由電機繞組電感阻礙電流瞬時變化而引起的脈動以及由永磁體磁場和定子鐵心齒槽作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。 電機本體設(shè)計。本體設(shè)計主要集中在定子繞組設(shè)計、齒槽數(shù)的優(yōu)化以及磁鋼尺寸的優(yōu)化等方面。 永磁材料的研究和

13、保護。目前, 國產(chǎn)釹鐵硼最大剩磁1. 42 T, 最大矯頑力2 388 kA /m, 最大磁能積400 kJ /m3, 其特性決定了電機功率, 目前單機容量僅幾十千瓦, 因此, 如何突破功率限制成為永磁材料研究領(lǐng)域的重要課題。,3.3 發(fā)展趨勢 低振動、高效率、低噪聲。作為驅(qū)動電機, 特別是低速大力矩直接驅(qū)動電動機, 為了在各自應(yīng)用場合有良好表現(xiàn), 對電機性能有嚴格要求。低振動使得電機運行平穩(wěn), 從而保證系統(tǒng)的精度, 其關(guān)鍵是抑制電機輸出轉(zhuǎn)矩的脈動。高效率是為了節(jié)能和降低運行成本, 在當下能源不斷緊缺時, 顯得格外重要。而在很多應(yīng)用場合對電機的噪聲有很高的要求, 如賓館、會議室等等。,數(shù)字化、智能化。數(shù)字化是指在其控制單元中采用數(shù)字控制芯片, 并綜合現(xiàn)代控制理論、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù), 從而實現(xiàn)對電機的控制。目前, 電動機控制的模擬實現(xiàn)正逐漸退出歷史舞臺, 而采用微處理器、DSP 等現(xiàn)代數(shù)字處理芯片的數(shù)字控制系統(tǒng)得到了快速發(fā)展。隨著數(shù)字芯片運算速度不斷提高、外設(shè)功能不斷增強、控制理論不斷進步, 電機控制系統(tǒng)正朝著高精度、高性能、信息化網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。,一體化(模塊化)。一體化是指多臺電機