交流永磁伺服电动机

1、 现代永磁电机交流伺服系统 第四章 交流永磁伺服电动机第4章 交流永磁伺服电动机4.1 4.1 交流永磁伺服电动机的分类与结构交流永磁伺服电动机的分类与结构4.3 4.3 三相永磁同步电动机的数学模型三相永磁同步电动机的数学模型4.4 4.4 无刷直流电动机的数学模型无刷直流电动机的数学模型4.5 4.5 交流永磁同步伺服电动机的矢量控制交流永磁同步伺服电动机的矢量控制 现代永磁电机交流伺服系统 第四章 交流永磁伺服电动机 4.1 交流永磁伺服电动机的分类与结构4.1 交流永磁伺服电动机的分类与结构4.1.1 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。目前，在交流

2、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一类称为无刷直流电动机(Brush-less DC Motor，简称，简称BDCM)，另一类称为三，另一类称为三相永磁同步电动机相永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor，简称，简称PMSM)。 从从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于磁极，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机的定于磁极，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

3、似梯形波的交流，而换向器将直流电流转换为近似梯形波的交流，而BDCM是将方波电流是将方波电流(实际也是实际也是梯形波梯形波)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。去了机械换向器和电刷，由此得名为无刷直流电动机。 与与BDCM相似，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。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。PMS

4、M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。正弦的，所以称为三相永磁同步电动机。 现代永磁电机交流伺服系统 第四章 交流永磁伺服电动机 4.1 交流永磁伺服电动机的分类与结构 现今，主要从永磁体励磁磁场现今，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，要求系统向产生恒定电磁转矩，要求系统向BDCM输入三相对称方波电流，输入三相对称方波电流，向向PMSM输入三相对称正弦电流。

5、输入三相对称正弦电流。同时，要求同时，要求BDCM的每相感应电的每相感应电动势为梯形波，而动势为梯形波，而PMSM的每相的每相感应电动势应为正弦波。感应电动势应为正弦波。 两类电动机永磁体励磁磁通两类电动机永磁体励磁磁通密度密度Bm、感应电动势、感应电动势ea、定子电、定子电流流ia、每相功率、每相功率pa、pb、pc和总功和总功率率p的波形如图的波形如图4-1所示。所示。图图4-1 无刷直流电动机和三相永磁同步电动机的波形无刷直流电动机和三相永磁同步电动机的波形 现代永磁电机交流伺服系统 第四章 交流永磁伺服电动机 4.1 交流永磁伺服电动机的分类与结构4.1.2 结构 两类交流永磁伺服电动

6、机的结构形式，要根据应用上的具体要求和运行条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；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。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。统称为外

7、装式结构。 凸装式转子永磁体的几种几何形状如图凸装式转子永磁体的几种几何形状如图4-2所示，其中所示，其中a具有圆套筒型整体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(不考虑不考虑开槽影响开槽影响)。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。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

8、匀分布，整个度又小于一个极距，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。磁场分布接近为梯形。 在图在图4-3a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“齿齿”。我们将。我们将这种结构称之为嵌入式。这种结构称之为嵌入式。 现代永磁电机交流伺服系统 第四章 交流永磁伺服电动机 4.1 交流永磁伺服电动机的分类与结构 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，对于凸装式和嵌

9、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(主要用于高速电机主要用于高速电机)，但这种结构不大，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

10、很小，因为永磁材料的电导率要远低于金属。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) 圆套筒型圆套筒型 b) 瓦片型瓦片型 c) 扇状型扇状型图图4-2 凸装式永磁转子凸装式永磁转子 现代永磁电机交流伺服系统 第四章 交流永磁伺服电动机 4.1 交流永磁伺服电动机的分类与结构 a) 嵌入式永磁转子嵌入式永磁转子 b) 内埋式永磁转子内埋式永磁转子图图4-3 嵌入式、内埋式永磁转子结构嵌入式、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

11、改善动态性能。正因如此，许多交接粘接在转轴上，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。流永磁伺服电动机都采用这种外装式结构。 现代永磁电机交流伺服系统 第四章 交流永磁伺服电动机 4.1 交流永磁伺服电动机的分类与结构 另外一种转子结构，如图另外一种转子结构，如图4-3b所示，它不是将永磁体装在转子表面上，而所示，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，所以与外装式转式永

12、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。子相比，更适用于弱磁运行。 图图4-3b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，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。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为将磁极表面的磁通集中起来，相邻

13、磁极表面的极性应相同(扩大供磁面积扩大供磁面积)，这样可以得到比外装式结构更高的气隙磁通。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。地集中磁通。 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

14、嵌入式和内埋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。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。 现代永磁电机交流伺服系统 第四章 交流永磁伺服电动机 4.1 交流永磁伺服电动机的分类与结构 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，改变了电机的交、直轴磁路子

15、内部，改变了电机的交、直轴磁路(见图见图4-4)，它会影响电机的转矩生成，从，它会影响电机的转矩生成，从而影响和决定了电动机的电磁特性，可以充分利用这一特点来提高电动机效率而影响和决定了电动机的电磁特性，可以充分利用这一特点来提高电动机效率和改善调速特性。和改善调速特性。 a) 直轴直轴 b) 交轴交轴图图4-4 内埋式永磁电动机磁路内埋式永磁电动机磁路 现代永磁电机交流伺服系统 第四章 交流永磁伺服电动机 4.1 交流永磁伺服电动机的分类与结构 图图4-4所示的是一台四极内埋式转子。将径向穿过永磁体磁场的中心线定义所示的是一台四极内埋式转子。将径向穿过永磁体磁场的中心线定义为直轴为直轴(d轴

16、轴)，将穿过极间的中心线定义为交轴，将穿过极间的中心线定义为交轴(q轴轴)，两个磁极轴线相差，两个磁极轴线相差45机械角度机械角度(电角度为电角度为90。通过。通过d轴磁路的磁通，一定要穿过两个永磁体，这相轴磁路的磁通，一定要穿过两个永磁体，这相当于在当于在d轴磁路上串联两个厚度等于永磁体的大气隙。因为轴磁路上串联两个厚度等于永磁体的大气隙。因为q轴磁通仅通过气轴磁通仅通过气隙和定、转子铁心，而不通过永磁体，所以隙和定、转子铁心，而不通过永磁体，所以q轴励磁电感要明显高于轴励磁电感要明显高于d轴励磁轴励磁电感，即电感，即LmqLmd转子凸极是产生磁阻转矩的原因，磁阻转矩的大小与两轴转子凸极是产

17、生磁阻转矩的原因，磁阻转矩的大小与两轴电感间的差值成正比。这样，从概念上讲，可将整个转矩解释为是一种混合电感间的差值成正比。这样，从概念上讲，可将整个转矩解释为是一种混合式结构转矩，它是由凸极同步电动机磁阻转矩和凸装式永磁同步电动机转矩式结构转矩，它是由凸极同步电动机磁阻转矩和凸装式永磁同步电动机转矩组合而成的。组合而成的。 通过调整内埋式转子的设计参数，可以分别控制这两项转矩相对总转矩通过调整内埋式转子的设计参数，可以分别控制这两项转矩相对总转矩的比例。亦即利用转子的凸极性，可进行较为灵活的设计，以此来改进电动的比例。亦即利用转子的凸极性，可进行较为灵活的设计，以此来改进电动机的输出和调速特

18、性。例如，可以利用磁阻转矩提高转矩电流之比，即降机的输出和调速特性。例如，可以利用磁阻转矩提高转矩电流之比，即降低永磁体励磁，减小空载电动势。这样，不仅可以避免高速区由于过电压造低永磁体励磁，减小空载电动势。这样，不仅可以避免高速区由于过电压造成的危险，又可在弱磁方式下进一步拓宽速度范围。此外，从经济观点看，成的危险，又可在弱磁方式下进一步拓宽速度范围。此外，从经济观点看，利用转子凸极性也为节省永磁材料提供了可能。嵌入式永磁电动机的交轴与利用转子凸极性也为节省永磁材料提供了可能。嵌入式永磁电动机的交轴与直轴电感间的差异程度一般介于凸装式和内埋式之间，所以它的凸极效应也直轴电感间的差异程度一般介

19、于凸装式和内埋式之间，所以它的凸极效应也介于两者之间。介于两者之间。 现代永磁电机交流伺服系统 第四章 交流永磁伺服电动机 4.5 交流永磁同步伺服电动机的矢量控制 4.5 交流永磁同步伺服电动机的矢量控制 4.5.1 矢量控制基本原理 矢量控制思想是由德国学者于矢量控制思想是由德国学者于1972年提出的，首先是应用到感应电动机年提出的，首先是应用到感应电动机(IM)中。从那时起，人们对于改善中。从那时起，人们对于改善IM的驱动性能做了大量研究。矢量控制的原理的驱动性能做了大量研究。矢量控制的原理和方法同样可以应用于永磁电动机和方法同样可以应用于永磁电动机(PM)。特别是，矢量控制在。特别是，

20、矢量控制在PM中更容易实中更容易实现，因为不存在象现，因为不存在象IM中那样的转差频率电流，于是参数的敏感性问题也就不中那样的转差频率电流，于是参数的敏感性问题也就不那么突出和严重。另外，应用高矫顽力和高剩磁感应的永磁材料，可使永磁电那么突出和严重。另外，应用高矫顽力和高剩磁感应的永磁材料，可使永磁电机的功率密度高于感应电动机，亦即可以获得更高的转矩惯量比。所以，目机的功率密度高于感应电动机，亦即可以获得更高的转矩惯量比。所以，目前在高性能伺服驱动系统中，例如数控机床、机器人等，多采用矢量控制永磁前在高性能伺服驱动系统中，例如数控机床、机器人等，多采用矢量控制永磁电机系统。电机系统。 下面主要

21、结合具有正弦波反电动势的下面主要结合具有正弦波反电动势的PMSM来讨论矢量控制原理，而对具来讨论矢量控制原理，而对具有梯形波反电动势的有梯形波反电动势的BDCM，主要强调和阐述了定子电流与反电动势的匹配和，主要强调和阐述了定子电流与反电动势的匹配和同步问题。众所周知，在他励直流电动机中，励磁磁场和电枢磁通势间的空间同步问题。众所周知，在他励直流电动机中，励磁磁场和电枢磁通势间的空间角度由电刷和机械换向器所固定。通常情况下，两者是正交的。因此，电枢电角度由电刷和机械换向器所固定。通常情况下，两者是正交的。因此，电枢电流和电磁转矩间存在线性关系。通过调节电枢电流就可以直接控制转矩。流和电磁转矩间存

22、在线性关系。通过调节电枢电流就可以直接控制转矩。 现代永磁电机交流伺服系统 第四章 交流永磁伺服电动机 4.5 交流永磁同步伺服电动机的矢量控制 另外，为使电机在高速区能以恒功率方式运行，还可进行弱磁控制。正是另外，为使电机在高速区能以恒功率方式运行，还可进行弱磁控制。正是因为在很宽的运行范围内都能提供可控转矩，直流电动机才在电气传动系统因为在很宽的运行范围内都能提供可控转矩，直流电动机才在电气传动系统中得到了长时间的广泛应用。中得到了长时间的广泛应用。 与直流电动机不同，在同步电动机中，励磁磁场与电枢磁通势间的空间与直流电动机不同，在同步电动机中，励磁磁场与电枢磁通势间的空间角度不是固定的，它随负载而变化，这将引起磁场间复杂的作用关系，因此角度不是固定的，它随负载而变化，这将引起磁场间复杂的作用关系，因此就不能简单地通过调节电枢电流来直接控制电磁转矩。倘若能够通过电动机就不能简单地通过调节电枢电流来直接控制电磁转矩。倘若能够通过电动机外的控制系统，即通过外部条件能对电枢磁通势相对励磁磁场进行空间定向外的控制系统，即通过外部条件能对电枢磁通势相对励磁磁场进行空间定向控制，就可以直接控制两