一 分類(lèi)
目前，在交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，普遍應(yīng)用的交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)有兩大類(lèi)。一類(lèi)稱(chēng)為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，另一類(lèi)稱(chēng)為三相永磁同步電動(dòng)機(jī)。
從BDcM的發(fā)展過(guò)程看，其基點(diǎn)是用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電動(dòng)機(jī)的定子磁極，將原直流電動(dòng)機(jī)的電樞變?yōu)槎ㄗ印Ｓ兴⒅绷麟妱?dòng)機(jī)是依靠機(jī)械換向器將直流電流轉(zhuǎn)換為近似梯形波的交流，而B(niǎo)DcM是將方波電流(實(shí)際也是梯形波)直接輸入定子。顛倒原直流電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子和采用永磁體的好處就是省去了機(jī)械換向器和電刷，由此得名為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。
與BDcM相似，PIVISM的基點(diǎn)是用永磁體取代繞線式同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁繞組，而省去了勵(lì)磁線圈、滑環(huán)和電刷，以電子換向?qū)崿F(xiàn)無(wú)刷運(yùn)行。PMSM的定子與繞線式同步電動(dòng)機(jī)基本相同，要求輸入定子的電流仍然是三相正弦的，所以稱(chēng)為三相永磁同步電動(dòng)機(jī)。
現(xiàn)今，主要從永磁體勵(lì)磁磁場(chǎng)在定子相繞組中感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)波形上來(lái)區(qū)分這兩類(lèi)電動(dòng)
機(jī)。為產(chǎn)生恒定電磁轉(zhuǎn)矩，要求系統(tǒng)向BDCM輸入三相對(duì)稱(chēng)方波電流，向PIVISM輸入三相對(duì)稱(chēng)正弦電流。同時(shí)，要求BDcM的每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為梯形波，而PMSM的每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)應(yīng)
為正弦波。
兩類(lèi)電動(dòng)機(jī)永磁體勵(lì)磁磁通密度Bm、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ea、定子電流ia、每相功率pa、pb、pc和總功率p的波形如圖4-1所示。
2結(jié)構(gòu)
兩類(lèi)交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，要根據(jù)應(yīng)用上的具體要求和運(yùn)行條件而定，還與選擇的永磁材料有關(guān)。就整體結(jié)構(gòu)而言，分為內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子式；就磁場(chǎng)方向來(lái)說(shuō)，有徑向和軸向磁場(chǎng)之分；就定子結(jié)構(gòu)論，有分布繞組和集中繞組，以及定子有槽和無(wú)槽的區(qū)別。
就轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)看，有凸裝式、嵌入式和內(nèi)埋式三種基本形式，前兩種形式又統(tǒng)稱(chēng)為外裝式結(jié)構(gòu)。
凸裝式轉(zhuǎn)子永磁體的幾種幾何形狀如圖4—2所示，其中圖4—2a具有圓套筒型整體磁鋼，每極磁鋼的寬度與極距相等，可提供十分接近矩形的磁場(chǎng)分布(不考慮開(kāi)槽影響)。在小直徑轉(zhuǎn)子的電動(dòng)機(jī)中，可以采用這種徑向異極的永磁環(huán)。但在大直徑電動(dòng)機(jī)中，必須利用若干個(gè)分離的永磁體。如果永磁體的厚度一致，寬度又小于一個(gè)極距，那么在永磁體的上方，氣隙磁通密度近似均勻分布，整個(gè)磁場(chǎng)分布接近為梯形。
在圖4—3a中，不是將永磁體凸裝在轉(zhuǎn)子表面上，而是嵌于轉(zhuǎn)子表面下。永磁體的寬度小于一個(gè)極距，相鄰永磁體間的鐵心構(gòu)成了一個(gè)大“齒”。我們將這種結(jié)構(gòu)造之為嵌入式。
對(duì)于凸裝式和嵌入式轉(zhuǎn)子，一般是用環(huán)氧樹(shù)脂將永磁體直接粘在轉(zhuǎn)軸上，為防止離心力的破壞，必要時(shí)再用纖維質(zhì)帶將其綁扎起來(lái)。另一種方法是用非磁性金屬套筒將永磁體套裝在轉(zhuǎn)子上(主要用于高速電動(dòng)機(jī))，但這種結(jié)構(gòu)不大適用于逆變器驅(qū)動(dòng)方式，因?yàn)槎ㄗ拥姆钦掖磐ú〞?huì)在套筒表面上感應(yīng)諧波電流，引起額外附加損耗。如果不用這種金屬套筒，諧波磁場(chǎng)直接在永磁體表面上感應(yīng)的渦流就很小。因?yàn)橛来挪牧系碾妼?dǎo)率要遠(yuǎn)低于金屬。
凸裝式和嵌入式結(jié)構(gòu)可使轉(zhuǎn)子做得直徑小、慣量低，特別是若將永磁體直接粘接在轉(zhuǎn)軸上，還可以獲得低電感，有利改善動(dòng)態(tài)性能。正因如此，許多交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)都采用這種外裝式結(jié)構(gòu)。
另外一種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖4—3b所示，它不是將永磁體裝在轉(zhuǎn)子表面上，而是將其埋裝在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，每個(gè)永磁體都被鐵心所包容，通常稱(chēng)之為內(nèi)埋式永磁同步電動(dòng)機(jī)。這種結(jié)構(gòu)，機(jī)械強(qiáng)度高，磁路氣隙小，所以與外裝式轉(zhuǎn)子相比，更適用于弱磁運(yùn)行。
圖4—3b所示的內(nèi)埋式結(jié)構(gòu)，永磁體徑向充磁，氣隙磁通密度在一定程度上會(huì)受到永磁體供磁面積的限制。在某些電動(dòng)機(jī)中，可能要求氣隙磁通值很高，在這種情況下，可利用另一種結(jié)構(gòu)的內(nèi)埋式永磁轉(zhuǎn)子，它將永磁體橫向充磁：為將磁極表面的磁通集中起來(lái)，相鄰磁極表面的極性應(yīng)相同(擴(kuò)大供磁面積)，這樣可以得到比外裝式結(jié)構(gòu)更高的氣隙磁通。
還有一種內(nèi)埋式永磁轉(zhuǎn)子，它的永磁體既不完全是徑向放置，又不完全是橫向放置，或者永磁體既有徑向充磁的，又有橫向充磁的，目的都是更有效地集中磁通。
三 磁路特點(diǎn)
凸裝式交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)上是一種隱極式同步電動(dòng)機(jī)，因?yàn)橛来挪牧系拇艑?dǎo)率十分接近于空氣，所以交、直軸電感基本相同。而嵌入式和內(nèi)埋式結(jié)構(gòu)屬于凸極式同步電動(dòng)機(jī)，其交軸電感大于直軸電感，這點(diǎn)與傳統(tǒng)繞線式凸極同步電動(dòng)機(jī)正好相反。這樣，除了電磁轉(zhuǎn)矩外，還會(huì)產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。
特別是對(duì)于內(nèi)埋式結(jié)構(gòu)，重要的是要認(rèn)識(shí)它的這種凸極性。永磁體裝在轉(zhuǎn)子內(nèi)部，改變了電動(dòng)機(jī)的交、直軸磁路(見(jiàn)圖4—4)，它會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩生成，從而影響和決定了電動(dòng)機(jī)的電磁特性，可以充分利用這一特點(diǎn)來(lái)提高電動(dòng)機(jī)效率和改善調(diào)速特性。
圖4—4所示的是一臺(tái)四極內(nèi)埋式轉(zhuǎn)子。將徑向穿過(guò)永磁體磁場(chǎng)的中心線定義為直軸(d軸)，將穿過(guò)極間的中心線定義為交軸(q軸)，兩個(gè)磁極軸線相差45°機(jī)械角度(電角度為90°。通過(guò)d軸磁路的磁通，一定要穿過(guò)兩個(gè)永磁體，這相當(dāng)于在d軸磁路上串聯(lián)兩個(gè)厚度等于永磁體的大氣隙。因?yàn)閝軸磁通僅通過(guò) 氣隙和定、轉(zhuǎn)子鐵心，而不通過(guò)永磁體，所以q軸勵(lì)磁電感要明顯高于d軸勵(lì)磁電感，即Lmq>Lmd。轉(zhuǎn)子凸極是產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩的原因，磁阻轉(zhuǎn)矩的大小與兩軸電感間的差值成正比。這樣，從概念上講，可將整個(gè)轉(zhuǎn)矩解釋為是一種混合式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)矩，它是由凸極同步電動(dòng)機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩和凸裝式永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩組合而成的。
通過(guò)調(diào)整內(nèi)埋式轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)參數(shù)，可以分別控制這兩項(xiàng)轉(zhuǎn)矩相對(duì)總轉(zhuǎn)矩的比例亦即利用轉(zhuǎn)子的凸極性，可進(jìn)行較為靈活的設(shè)計(jì)，以此來(lái)改進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出和調(diào)速特性。例如，可以利用磁阻轉(zhuǎn)矩提高轉(zhuǎn)矩／電流之比，即降低永磁體勵(lì)磁，減小空載電動(dòng)勢(shì)。這樣，不僅可以避免高速區(qū)由于過(guò)電壓造成的危險(xiǎn)，又可在弱磁方式下進(jìn)一步拓寬速度范圍。此外，從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)看，利用轉(zhuǎn)子凸極性也為節(jié)省永磁材料提供了可能。嵌入式永磁電動(dòng)機(jī)的交軸與直軸電感間的差異程度一般介于凸裝式和內(nèi)埋式之間，所以它的凸極效應(yīng)也介于兩者之間。
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