永磁交流伺服電動機的設計特點
莫會成（西安微電機研究所）
【摘 要】探討了兩種不同運行原理永磁交流伺服電動機的設計特點，指出磁路計算與傳統電機的不同之處；分析了電機的反電勢常數和力矩常數，并給出了計算公式；討論了繞組連接方式、反電勢以及電阻、電感和電氣時間常數等參數對電機性能的影響；并對其獨特的磁場和脈寬調制端電壓可能引起的損耗和發熱進行了初步的分析。
【敘 詞】 伺服電動機永磁電動機交流電動機設計特點參數
l 引 言
永磁交流伺服電動機根據其工作原理的不同可分為二類,一類為正弦波驅動，另一類為方波驅動。二者由于運行原理上的不同，因而在磁場、反電勢、電機性能方面都有許多不同之處，因而在設計時不能采用相同的計算方法。本文僅就這兩類運行原理的永磁交流伺服電動機的設計特點作一分析。
2磁路的設計特點
最常見的永磁交流伺服電動機截面圖如圖1所示。
電機極數為2極，定子鐵心上嵌有三相對稱的電樞繞組，轉子部分由轉軸、轉子導磁體和永磁體等部分組成。轉子導磁體套在轉軸上，其外表面粘接瓦形永磁體，產生氣隙磁場。永磁體一般采用鋏氧體和稀土永磁材料，近年出現了第三代稀土永磁材料nd -fe -b，在永磁體的外表面有一加固層。為了減少慣量，有時在轉子導磁體上鉆上若干孔，以減少其有效質量。從截面圖上看，這類電機的磁路與傳統電機相比沒什么特殊之處，但具有如下特點。
a．極弧系數的選取，一般電機均選取為0. 67左右。永磁交流伺服電動機則不同，通過分析計算可知，方波驅動時，需先取極弧系數越大越好，盡可能接近于1，且希望永磁體沿徑向磁化[2,3]；而正弦波驅動時要將極弧系數選在0. 8～0. 85的范圍內較為合適[4]。
b．電機磁場變化，電樞反應的影響，都將對電機性能，尤其是力矩波動有較大的影響。因而為減少磁場的變化及電樞反應的影響，在設計時電機的齒磁密不宜取得過高，磁路不宜過于飽和。
c．由于二者磁場波形不同，所以氣隙磁通的計算也有所區別。方波驅動時氣隙磁通可用下式計算：
正弦波驅動時有：
式中φ—方波驅動時的氣隙總磁通
bδ——氣隙磁通密度
t——電機極距
lef——電機鐵心有效長度
αp——計算極弧系數
φ1-正弦波驅動時基波磁通
方波驅動時起作用的是永磁體產生的總的氣隙磁通，而正弦波驅動時則只有基波磁通能產生有用的轉矩。所以在電機尺寸不變的情況下，通過加大極弧系數αp，方波驅動的電動機比正弦波驅動的伺服電動機出力大。
d．采用圖1所示的轉子結構后，盡管實際的氣隙8不是很大，但由于永磁體，尤其是稀土永磁材料的相對磁導率很低，接近予空氣，所以有效的氣隙可認為：
hm為磁鋼厚度。電樞反應的影響大大減少，在磁場工作點的計算時可只考慮空載的情況，負載的影響可忽略不計。在計算其它有關參數如磁導時，則應按等效氣隙a，考慮。
3反電勢常數ke和力矩常數kt
這兩個常數是電機設計的具體技術要求所決定的，是伺服電動機最基本的參數，與電機的繞組和具體結構有關。二者有一定的內在聯系。一般認為，在國際單位制中伺服電動機的反電勢常數和力矩常數相等，但永磁交流伺服電動機卻不盡然。
方波驅動時，由分析可知，電機的相反電勢波形為梯形波，如囹2a |
