永磁电机在现代高性能伺服系统中的应用

胡文广 于婷

摘 要：本文分别介绍了稀土永磁交流伺服电机的定、转子结构和特点;并对目前流行的分数槽集中绕组伺服电机的特点进行了介绍;同时对多相永磁交流伺服电机、永磁直线交流伺服电机等其他永磁伺服电机也做了简单介绍。

关键词：伺服电机;永磁电机;结构型式;设计特点

1 概述

电机是一种机电能量转换装置，除极少数特殊原理电机外，都是基于电磁感应原理，以磁场为媒介实现电能与机械能的转换。按绕组中流过电流的性质可分为直流电机或交流电机，电机中主磁场的建立可以是通电绕组产生，也可以是由永磁体产生的。由永磁体建立主磁场的电机称为永磁电机，与普通电励磁电机相比，它具有体积小、重量轻、效率高、结构简单等诸多优点，是目前应用量大面广的主要电机品类。

伺服电机是电气伺服系统的核心部件，对外而言，它是伺服系统的执行部件，而在伺服系统内部，它又是伺服控制器的控制对象。人们对伺服系统的研究，始终是围绕伺服电机类型以及如何精确控制所进行的，因而，伺服电机是整个伺服系统的中心及根本，其性能的高低直接决定了伺服系统最终性能的优劣。

2 稀土永磁交流伺服电机的基本结构和特点

永磁交流伺服电机结构种类丰富多彩，不仅有内转子和外转子之分，特殊设计的还有双转子或双定子结构（如船舰螺旋桨用对旋电机，新能源汽车驱动电机等），但按磁场方向主要有径向磁场和轴向磁场两种基本结构，常用永磁交流伺服电机的结构主要采用径向磁场的内转子结构。

一般而言，永磁交流伺服电机转子结构主要有永磁体表贴式、内置式、表贴内置混合式等几种基本结构形式。

2.1 表贴式转子结构

表面贴装式转子直接将永磁体用胶粘的方式贴于转子铁心外圆表面，这种结构的直轴和交轴电感相等，属于隐极转子结构，特别适合于id=0的伺服控制。根据转子尺寸的大小或电机性能的要求，每极永磁体可以是一整块也可以采用多块小瓦形拼接而成，对于平行充磁的磁体，这种拼块磁极较整块磁极虽然工艺难度增加，但它的优点是气隙磁场更接近方波。对无刷电机来说，有利于提高电机的力能指标，改善力矩波动，并降低永磁体内部的涡流损耗;对于小型电机，现在的工艺已经可以做到用圆环形磁体多极整体充磁总体来说，表贴式转子结构简单，电机动态响应快，转矩脉动小，而且容易优化设计磁极形状以使气隙磁密满足所需波形。

2.2 内置式转子结构

内置式转子摒弃了惯常采用的粘接结构，直接将永磁体嵌入到转子内部。内置式转子结构的直轴和交轴电感不相等，在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩，磁阻转矩的存在有利于提高电机的过载能力和功率密度。内置式转子结构还易于弱磁调速，扩大恒功率范围运行，但这种结构可能转矩脉动大，尤其要注意磁路的漏磁，需要合理设计隔磁桥。由于永磁体内嵌，因而其放置方式比较灵活，可以根据性能的需要灵活采用径向式、切向式及混合式等多种放置方式。因此，内置式转子结构的永磁交流伺服电机在控制上具有更大的灵活性，可采用id=0控制、最大转矩控制、功率因素控制以及较大范围的弱磁控制等。

2.3 混合式转子结构

混合磁路转子结构是表贴与内置两种结构的组合体，具备两种结构的优点，可以有效提高气隙磁密和电机的功率密度。对传统的混合式转子结构进行拓展，还可以派生出更多的广义混合式结构形式，如在内置式的基本结构上采用两种或以上不同永磁体材料混合使用，可有效提升产品的性价比;或者采用永磁与电励磁组合的形式，有利于扩大调速比以及在低速下获得更大的转矩;另外，还可以采用径向磁场与轴向磁场的混合形式等。

3 分数槽集中绕组永磁交流伺服电机

在永磁交流伺服电动机中使用的y=1的分数槽集中绕组电机具有如下特点：

槽数较少，槽满率高，绕组端部很小，电动机的空间利用率，电机的体积重量比分布绕组电机降低15%以上;统计表明用铜量较传统整数槽电机减少可达40%，从而提高电机的效率及功率密度;同时它以较少槽数得到比它槽数多很多的分布绕组相同的分布效果，且对齿谐波反电势有较强削弱作用，可改善反电势波形的正弦性，降低齿槽转矩和转矩波动，有利于降低振动和噪声;除此之外，独特的结构工艺更是分数槽集中绕组的最大优点，单齿中绕组便于使用专用繞线机在齿上进行线圈直绕，取代传统嵌线工艺，大幅度提高工效;定子铁心采用分段拼装式结构，不仅可以大大简化绕线工艺，实现大批量自动化生产，也使得硅钢片的利用率大大提高，极大的降低成本，因此该类电机的性价比在目前市场中已显示出无可比拟的优越性。

4  其他永磁伺服电机

4.1多相永磁交流伺服电机

多相电机有很多优点，首先，电机相数增大，可以消除低次磁动势谐波，使绕组磁动势中的谐波含量显著减小，使得由其引起的转矩波动频率增大，幅值减小，从降低转矩波动的角度来讲，相数越多越好。第二，在其他相同的情况下，多相电机的绕组系数随着相数的增大而增加，从而使产生同样转矩的基波电流减小，定子的铜耗降低。第三，对于非正弦多相电机，在相同的电流有效值情况下，可以通过谐波电流注入来提高转矩输出，从而提高电机转矩密度。第四，多相电机由于相数多，当有一相至几相出现开路故障时，电机仍能正常起动并降功率运行，通过适当的控制策略可以维持高性能运行，提高了系统的可靠性。

4.2永磁直线交流伺服电机（PMLSM）

直线电机简单理解就是在结构上将旋转电机沿径向剖开，并展开成平面而成，其运行原理与旋转电机类似。直线电机按结构分类，主要分为平板型圆筒型（或管型）弧型和圆盘型等，其中平板型是最基本的结构，又可以分为单边型和双边型。按工作原理，主要可分为直线交流感应电机、直线交流同步电机、直线直流电机和直线步进电机等。因直线电机驱动方式去除了中间传动及变换环节，具有旋转电机+中间转换环节无法比拟的高效、高速、高精度优点，得到了越来越广泛的应用，国际上许多知名伺服驱动公司均有高质量的直线电机产品。

5 结语

本文简要介绍永磁交流伺服电机的概念，类别发展历史及现状，从分布绕组电机到分数槽集中绕组电机;从典型的稀土永磁旋转电机到直线伺服等其他类别永磁电机;在结构、优势、相关技术问题及设计特点等多方面对现代高性能永磁交流伺服电机进行了较为全面的总结，希望为对永磁交流伺服电机感兴趣的人们提供一定的帮助。

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（1.英特仿真科技（沈阳）有限公司，辽宁 沈阳 110000;2.新东北电气集团高压开关有限公司沈阳分公司，辽宁 沈阳 110000）