直驅(qū)式永磁伺服電動(dòng)機(jī)分析課件

低速直驅(qū)式永磁伺服電動(dòng)機(jī)電氣工程學(xué)院電機(jī)研究所2014

李光友低速直驅(qū)式永磁伺服電動(dòng)機(jī)電氣工程學(xué)院電機(jī)研究所2014主要內(nèi)容1.概述2.特殊問(wèn)題分析3.應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)主要內(nèi)容高速電機(jī)減速箱低速負(fù)載減速驅(qū)動(dòng)低速電機(jī)低速負(fù)載直接驅(qū)動(dòng)1.概述高速電機(jī)減速箱低速負(fù)載減速驅(qū)動(dòng)低速電機(jī)低速負(fù)載直接驅(qū)動(dòng)1.概1.概述

低速直驅(qū)伺服電動(dòng)機(jī)是一種可以和負(fù)載裝配在一起的、將電訊號(hào)直接轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩的裝置。其特點(diǎn)是外形扁薄，有較大的外徑和較小的軸向尺寸，可以做成無(wú)框架式的、轉(zhuǎn)子中心有一個(gè)大孔便于直接安裝到被驅(qū)動(dòng)的負(fù)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(zhǔn)確度高的場(chǎng)合。特別適用于高“堵轉(zhuǎn)”力矩運(yùn)行的位置隨動(dòng)系統(tǒng)和高力矩低速運(yùn)行的速度控制系統(tǒng)。1.概述低速直驅(qū)伺服電動(dòng)機(jī)是一種可以和負(fù)載裝配無(wú)框架式有框架式1.概述無(wú)框架式有框架式1.概述1.1直驅(qū)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)

耦合剛度高。直驅(qū)電動(dòng)機(jī)是直接與負(fù)載耦合，實(shí)現(xiàn)了無(wú)齒輪傳動(dòng)。沒(méi)有齒輪，沒(méi)有間隙誤差，高的耦合剛度使系統(tǒng)有高的機(jī)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(lái)的不利因素。

轉(zhuǎn)矩/慣量比大和摩擦損耗小。一般電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪減速箱驅(qū)動(dòng)負(fù)載軸，使輸出到負(fù)載軸上的力矩/慣量比減小，直驅(qū)電動(dòng)機(jī)不存在這個(gè)問(wèn)題。一般電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，減速箱傳動(dòng)摩擦力矩造成功率損耗。直驅(qū)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的摩擦力矩可以減到最小。1.概述1.1直驅(qū)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)1.概述

快速響應(yīng)。低速直驅(qū)電動(dòng)機(jī)，由于轉(zhuǎn)矩/慣量比大，機(jī)電時(shí)間常數(shù)一般僅為1~2ms。比一般伺服電動(dòng)機(jī)小一個(gè)數(shù)量級(jí)。

高位置分辨率。齒輪傳動(dòng)的系統(tǒng)中，齒輪嚙合間隙的存在，使系統(tǒng)在零點(diǎn)附近造成一個(gè)“死區(qū)”，因而降低了位置準(zhǔn)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(dòng)機(jī)系統(tǒng)的位置精確度僅與誤差檢測(cè)有關(guān)。

調(diào)速范圍大和低速運(yùn)行穩(wěn)定。一般電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在40r/min以下就出現(xiàn)轉(zhuǎn)速抖動(dòng)現(xiàn)象。低速直驅(qū)電動(dòng)機(jī)可在0.6r/min秒的低速下平穩(wěn)運(yùn)行。

1.概述快速響應(yīng)。低速直驅(qū)電動(dòng)機(jī)，由于轉(zhuǎn)矩/慣量比大，機(jī)電時(shí)間

線性度高。低速直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性表明，力矩增長(zhǎng)正比于輸入電流，轉(zhuǎn)矩特性是線性的。沒(méi)有由于轉(zhuǎn)矩非線性所造成的“死區(qū)”。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。無(wú)框架的直驅(qū)低速電動(dòng)機(jī)可以做成是被驅(qū)動(dòng)裝置整體的一部份，可以省去電動(dòng)機(jī)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(jì)和制造的技術(shù)費(fèi)用和生產(chǎn)成本，有很好的經(jīng)濟(jì)效益。1.概述線性度高。低速直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性表明，力矩增長(zhǎng)正比于輸入1.2低速直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的主要類型

永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，包括無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)。

橫向磁場(chǎng)電機(jī)。橫向磁場(chǎng)電機(jī)，從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了電路和磁路解耦,具有轉(zhuǎn)矩密度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高等顯著優(yōu)點(diǎn)。

1.2低速直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的主要類型直驅(qū)式永磁伺服電動(dòng)機(jī)分析課件超聲波電動(dòng)機(jī)。超聲波電動(dòng)機(jī)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(guò)轉(zhuǎn)換壓電振子的超聲振動(dòng)形成驅(qū)動(dòng)能力,實(shí)現(xiàn)超聲波振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。與電磁型電機(jī)相比,具有結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

直線電機(jī)。直線電機(jī)具有一系列優(yōu)點(diǎn)：不存在中間環(huán)節(jié),可高速進(jìn)行高精度跟蹤與定位；不會(huì)受到離心力作用,因而速度理論上可不受限制；進(jìn)給行程長(zhǎng)度不受限制；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,噪聲低。這一電機(jī)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。超聲波電動(dòng)機(jī)。超聲波電動(dòng)機(jī)利用壓電陶瓷材料PZT或高分子V

在同步電機(jī)中轉(zhuǎn)速，要降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以采用增加電機(jī)極對(duì)數(shù)或降低電源頻率的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)?？紤]到低頻方面的低限問(wèn)題，使得通過(guò)采用降低電源頻率來(lái)實(shí)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(jī)極對(duì)數(shù)的方法。在傳統(tǒng)的電機(jī)結(jié)構(gòu)中，增加電機(jī)的極對(duì)數(shù)后應(yīng)該相應(yīng)的增加電機(jī)的槽數(shù)，由于電機(jī)本身結(jié)構(gòu)和加工工藝的要求，使得電機(jī)的槽數(shù)不能太多，于是便出現(xiàn)了分?jǐn)?shù)槽電機(jī)。2.直驅(qū)式永磁伺服電動(dòng)機(jī)分析在同步電機(jī)中轉(zhuǎn)速（1）分?jǐn)?shù)槽繞組的構(gòu)成每極每相槽數(shù)為分?jǐn)?shù)時(shí)，稱為分?jǐn)?shù)槽繞組。當(dāng)q近似等于1/3,節(jié)距y=1時(shí)，稱為齒繞組，低速永磁同步電機(jī)常采用這種繞組。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：電機(jī)總槽數(shù)少，節(jié)省工時(shí)，槽利用率高。繞組端部短，材料利用率高。電機(jī)的軸向長(zhǎng)度短。電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩小。2.1分?jǐn)?shù)槽繞組（1）分?jǐn)?shù)槽繞組的構(gòu)成2.1分?jǐn)?shù)槽繞組舉例1：一臺(tái)6槽8極電機(jī)6槽8極電機(jī)雙層繞組槽電勢(shì)星形圖6槽8極電機(jī)雙層繞組結(jié)構(gòu)圖舉例1：一臺(tái)6槽8極電機(jī)6槽8極電機(jī)雙層繞組槽電勢(shì)星形圖6槽8極電機(jī)單層繞組結(jié)構(gòu)圖6槽8極電機(jī)單層繞組槽電勢(shì)星形圖6槽8極電機(jī)單層繞組結(jié)構(gòu)圖6槽8極電機(jī)單層繞組槽電勢(shì)星形圖舉例1：一臺(tái)12槽14極電機(jī)12槽14極電機(jī)雙層繞組槽電勢(shì)星形圖12槽14極電機(jī)雙層繞組結(jié)構(gòu)圖A：1278B：91034C：561112舉例1：一臺(tái)12槽14極電機(jī)12槽14極電機(jī)雙層繞組槽電勢(shì)星12槽14極電機(jī)單層繞組結(jié)構(gòu)12槽14極電機(jī)單層繞組槽電勢(shì)星形圖ABC并不是所有的三相雙層繞組都可化為三相單層繞組ABC12槽14極電機(jī)單層繞組結(jié)構(gòu)12槽14極電機(jī)單層繞組槽電勢(shì)（2）分?jǐn)?shù)槽繞組的電樞磁動(dòng)勢(shì)以上面的6槽8極電機(jī)為例6槽8極電機(jī)雙層繞組一相繞組的磁動(dòng)勢(shì)分布圖6槽8極電機(jī)單層繞組一相繞組的磁動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)的峰值是雙層繞組的兩倍。（2）分?jǐn)?shù)槽繞組的電樞磁動(dòng)勢(shì)6槽8極電機(jī)雙層繞組一相繞組的以12槽14極電機(jī)為例12槽14極電機(jī)雙層繞組磁動(dòng)勢(shì)和諧波成分分布圖諧波極對(duì)數(shù)13579…,7次波為基波，低于7次波稱為分?jǐn)?shù)次諧波。以12槽14極電機(jī)為例12槽14極電機(jī)雙層繞組磁動(dòng)勢(shì)和諧12槽14極電機(jī)單層繞組磁動(dòng)勢(shì)和諧波成分分布圖12槽14極電機(jī)單層繞組磁動(dòng)勢(shì)和諧波成分分布圖（3）常用y＝1分?jǐn)?shù)槽繞組極槽配合（3）常用y＝1分?jǐn)?shù)槽繞組極槽配合（4）分?jǐn)?shù)槽繞組的繞組系數(shù)計(jì)算

y＝1時(shí)，一般為小于1的真分?jǐn)?shù)，因此可以等效為、的雙層繞組，因而有：

t為電機(jī)電樞槽數(shù)Z與電機(jī)極對(duì)數(shù)p的最大公約數(shù)。

分布系數(shù)為：（4）分?jǐn)?shù)槽繞組的繞組系數(shù)計(jì)算分布系數(shù)為：短距系數(shù)為：y＝1常見(jiàn)分?jǐn)?shù)槽繞組槽繞組參數(shù)短距系數(shù)為：y＝1常見(jiàn)分?jǐn)?shù)槽繞組槽繞組參數(shù)續(xù)表續(xù)表2.2齒槽轉(zhuǎn)矩及其削弱方法（1）永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機(jī)理

齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)繞組不通電時(shí)，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(jī)的低速性能。永磁體與電樞的相對(duì)位置2.2齒槽轉(zhuǎn)矩及其削弱方法永磁體與電樞的相對(duì)位置

當(dāng)永磁體與鐵心有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，若磁場(chǎng)能量發(fā)生變化，則就會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，因?yàn)榇艌?chǎng)能量變化是有定子鐵心開(kāi)槽引起的，所以稱為齒槽轉(zhuǎn)矩，計(jì)算公式為

由于分?jǐn)?shù)槽電機(jī)，各個(gè)極下定子齒與永磁體對(duì)應(yīng)位置不同，所以齒槽轉(zhuǎn)矩較整數(shù)槽電機(jī)小。整數(shù)槽（2極/6槽）分?jǐn)?shù)槽（8極/6槽）當(dāng)永磁體與鐵心有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，若磁場(chǎng)能量發(fā)生變化（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(guò)改變對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩起主要作用的的幅值，達(dá)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)（2）齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法極弧系數(shù)磁極不等厚磁極偏移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(kāi)輔助槽等。改變槽口寬度開(kāi)輔助槽改變電樞參數(shù)改變槽口寬度開(kāi)輔助槽

合理選擇電樞槽數(shù)和極數(shù)在定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置變化一個(gè)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)矩越小。例如2極6槽電機(jī)，Np=1；而4極6槽電機(jī)，Np=2合理選擇電樞槽數(shù)和極數(shù)表示槽3.低速永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)3.1應(yīng)用

家用電器產(chǎn)品。以永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)替代單相交流異步電動(dòng)機(jī),能夠?qū)崿F(xiàn)空調(diào)器、冰箱、洗衣機(jī)等家用電器的直驅(qū)變頻調(diào)速,使其轉(zhuǎn)速隨工況自動(dòng)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(wú)刷電動(dòng)機(jī)的洗衣機(jī)效率可提高近30%,同樣采用直驅(qū)式永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的變頻空調(diào)效率可以提高近20%,效果顯著。3.低速永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)

電動(dòng)交通工具。在直驅(qū)式電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)中,永磁同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)噪聲的特點(diǎn)受到國(guó)外電動(dòng)汽車(chē)界的高度重視,尤其在日本得到了極為廣泛的應(yīng)用。電動(dòng)自行車(chē)電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)機(jī)車(chē)電動(dòng)交通工具。在直驅(qū)式電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)中,永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)直驅(qū)式永磁伺服電動(dòng)機(jī)分析課件直驅(qū)式永磁伺服電動(dòng)機(jī)分析課件直驅(qū)式永磁伺服電動(dòng)機(jī)分析課件直驅(qū)式永磁伺服電動(dòng)機(jī)分析課件直驅(qū)式永磁伺服電動(dòng)機(jī)分析課件

工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備領(lǐng)域。低速大力矩永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)可以省去機(jī)械設(shè)備中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),滿足高效率、高精度、高性能的要求,在數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床、自動(dòng)紡織、印刷、包裝、冶金、郵政機(jī)械、自動(dòng)化生產(chǎn)流水線和各種專用設(shè)備方面都有廣泛應(yīng)用。工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備領(lǐng)域。低速大力矩永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)可以省去機(jī)械設(shè)傳統(tǒng)的游梁式抽油機(jī)傳統(tǒng)的游梁式抽油機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)控制柜驅(qū)動(dòng)輪導(dǎo)向輪傳動(dòng)皮帶平衡重機(jī)架直驅(qū)電機(jī)抽油機(jī)主要構(gòu)成313233343536371234567838懸繩器導(dǎo)向輪低速大轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)直驅(qū)電機(jī)抽油機(jī)主要構(gòu)成3

電機(jī)最顯著的特點(diǎn)就是低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩。電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾輪裝置，無(wú)需減速機(jī)構(gòu)。

低速大轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)電機(jī)最顯著的特點(diǎn)就是低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩。電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾輪浙大開(kāi)發(fā)的抽油機(jī)復(fù)式直驅(qū)永磁電機(jī)浙大開(kāi)發(fā)的抽油機(jī)復(fù)式直驅(qū)永磁電機(jī)直驅(qū)式永磁伺服電動(dòng)機(jī)分析課件

無(wú)位置傳感器控制技術(shù)。傳統(tǒng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)都需要一套位置傳感器來(lái)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(wú)位置傳感器的位置信號(hào)檢測(cè)技術(shù)是發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前常用檢測(cè)方法有反電動(dòng)勢(shì)法、續(xù)流二極管法、電感法、狀態(tài)觀測(cè)器法等?？偟膩?lái)說(shuō),國(guó)內(nèi)無(wú)位置永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究還處于試驗(yàn)和探索,距實(shí)用存有距離。3.2研究的熱點(diǎn)問(wèn)題無(wú)位置傳感器控制技術(shù)。傳統(tǒng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)都需要一套位置傳感

轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)包括由定子電流和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的脈動(dòng);換相時(shí)由電機(jī)繞組電感阻礙電流瞬時(shí)變化而引起的脈動(dòng)以及由永磁體磁場(chǎng)和定子鐵心齒槽作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。

電機(jī)本體設(shè)計(jì)。本體設(shè)計(jì)主要集中在定子繞組設(shè)計(jì)、齒槽數(shù)的優(yōu)化以及磁鋼尺寸的優(yōu)化等方面。

永磁材料的研究和保護(hù)。目前,國(guó)產(chǎn)釹鐵硼最大剩磁1.42T,最大矯頑力2388kA/m,最大磁能積400kJ/m3,其特性決定了電機(jī)功率,目前單機(jī)容量?jī)H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。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)包括由定子電流和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用3.3發(fā)展趨勢(shì)

低振動(dòng)、高效率、低噪聲。作為驅(qū)動(dòng)電機(jī),特別是低速大力矩直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī),為了在各自應(yīng)用場(chǎng)合有良好表現(xiàn),對(duì)電機(jī)性能有嚴(yán)格要求。低振動(dòng)使得電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn),從而保證系統(tǒng)的精度,其關(guān)鍵是抑制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。高效率