第五章+交流永磁伺服电动机.doc

第五讲交流永磁伺服电动机(从06-11期起刊登)沈阳工业大学 电气工程学院 郭庆鼎 (1)分类目前,在交流伺服驱动系统中,普遍应用的交流永磁伺服电动机有两大类。一类称为无刷直流电动机(TheBrush-lessDCMotor,简称BDCM),另一类称为三相永磁同步电动机(SynchronousMotor,简称PMSM)。从BDCM的发展过程看,其基点是用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极,将原直流电动机的电枢变为定子。有刷直流电动机是依靠机械换向器将直流电流转换为近似梯形波的交流,而BDCM是将方波电流直接输入定子。颠倒原直流电动机定、转子和采用永磁体的好处就是省去了机械换向器和电刷,由此得名为无刷直流电动机。与BDCM相似,PMSM的基点是用永磁体取代绕线式同步电动机转子中的励磁绕组,从而省去了励磁线圈、滑环和电刷以电子换向实现无刷运行。PMSM的定子与绕线式同步电动机基本相同,要求输入定子的电流仍然是三相正弦的,所以称为三相永磁同步电动机。现今,主要从永磁体励磁磁场在定子相绕组中感应出的电动势波形上来区分这两类电动机。为产生恒定电磁转矩,要求系统向BDCM输入三相对称方波电流,向PMSM输入三相对称正弦电流。同时,要求BDCM的每相感应电动势为梯形波,而PMSM的每相感应电动势应为正弦波。两类电动机永磁体励磁磁通密度Bm、感应电动势ea、定子电流ia、每相功率pa、pb、。(2)结构两类交流永磁伺服电动机的结构形式,要根据应用上的具体要求和运行条件而定,还与选择的永磁材料有关。就整体结构而言,分为内转子和外转子式;就磁场方向来说,有径向和轴向磁场之分;就定子结构论,有分布绕组和集中绕组以及定子有槽和无槽的区别。就转子结构看,有凸装式、嵌入式和内埋式三种基本形式,前两种形式又统称为外装式结构。,其中a具有圆套筒型整体磁钢,每极磁钢的宽度与极距相等,可提供十分接近矩形的磁场分布(不考虑开槽影响)。在小直径转子的电机中,可以采用这种径向异极的永磁环。但在大直径电动机中,必须利用若干个分离的永磁体。如果永磁体的厚度一致,宽度又小于一个极距,那么在永磁体的上方,气隙磁通密度近似均匀分布,整个磁场分布接近为梯形。a)           b)           c)a)圆套筒型  b)瓦片型  c) )中,不是将永磁体凸装在转子表面上,而是嵌于转子表面下。永磁体的宽度小于一个极距,相邻永磁体间的铁心构成了一个大“齿”。我们将这种结构称之为嵌入式。对于凸装式和嵌入式转子,一般是用环氧树脂将永磁体直接粘在转轴上,为防止离心力的破坏,必要时再用纤维质带将其绑扎起来。另一种方法是用非磁性金属套筒将永磁体套装在转子上(主要用于高速电机),但这种结构不大适用于逆变器驱动方式,因为定子的非正弦磁通波会在套筒表面上感应谐波电流,引起额外附加损耗。如果不用这种金属套筒,谐波磁场直接在永磁体表面上感应的涡流就很小,因为永磁材料的电导率要远低于金属。a)               b)a)嵌入式永磁转子  b)、内埋式永磁转子结构凸装式和嵌入式结构可使转子做得直径小、惯量低,特别是若将永磁体直接粘接在转轴上,还可以获得低电感,有利改善动态性能。正因如此,许多交流永磁伺服电动机都采用这种外装式结构。另外一种转子结构,)所示,它不是将永磁体装在转子表面上,而是将其埋装在转子铁心内部,每个永磁体都被铁心所包容,通常称之为内埋式永磁同步电动机。这种结构,机械强度高,磁路气隙小,所以与外装式转子相比,更适用于弱磁运行。)所示的内埋式结构,永磁体径向充磁,气隙磁通密度在一定程度上会受到永磁体供磁面积的限制。在某些电动机中,可能要求气隙磁通值很高,在这种情况下,可利用另一种结构的内埋式永磁转子,它将永磁体横向充磁。为将磁极表面的磁通集中起来,相邻磁极表面的极性应相同(扩大供磁面积),这样可以得到比外装式结构更高的气隙磁通。还有一种内埋式永磁转子,它的永磁体既不完全是径向放置,又不完全是横向放置,或者永磁体既有径向充磁的,又有横向充磁的,目的都是更有效地集中磁通。(3)磁路特点凸装式交流永磁伺服电动机实质上是一种隐极式同步电动机,因为永磁材料的磁导率十分接近于空气,所以交、直轴电感基本相同。而嵌入式和内埋式结构属于凸极式同步电动机,其交轴电感大于直轴电感,这点与传统绕线式凸极同步电动机正好相反。这样,除了电磁转矩外,还会产生磁阻转矩。特别是对于内埋式结构,重要的是要认识它的这种凸极性。永磁体装在转子内部,改