永磁交流伺服電動機的設(shè)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(shè)計特點，指出磁路計算與傳統(tǒng)電機的不同之處；分析了電機的反電勢常數(shù)和力矩常數(shù)，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(shù)等參數(shù)對電機性能的影響；并對其獨特的磁場和脈寬調(diào)制端電壓可能引起的損耗和發(fā)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(shè)計特點參數(shù)
l 引 言
永磁交流伺服電動機根據(jù)其工作原理的不同可分為二類,一類為正弦波驅(qū)動，另一類為方波驅(qū)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(shè)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(shè)計特點作一分析。
2磁路的設(shè)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(shù)為2極，定子鐵心上嵌有三相對稱的電樞繞組，轉(zhuǎn)子部分由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體和永磁體等部分組成。轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體套在轉(zhuǎn)軸上，其外表面粘接瓦形永磁體，產(chǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)子導(dǎo)磁體上鉆上若干孔，以減少其有效質(zhì)量。從截面圖上看，這類電機的磁路與傳統(tǒng)電機相比沒什么特殊之處，但具有如下特點。
a．極弧系數(shù)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(qū)動時，需先取極弧系數(shù)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(qū)動時要將極弧系數(shù)選在0. 8～0. 85的范圍內(nèi)較為合適[4]。
b．電機磁場變化，電樞反應(yīng)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(yīng)的影響，在設(shè)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(qū)別。方波驅(qū)動時氣隙磁通可用下式計算：
正弦波驅(qū)動時有：
式中φ—方波驅(qū)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(shù)
φ1-正弦波驅(qū)動時基波磁通
方波驅(qū)動時起作用的是永磁體產(chǎn)生的總的氣隙磁通，而正弦波驅(qū)動時則只有基波磁通能產(chǎn)生有用的轉(zhuǎn)矩。所以在電機尺寸不變的情況下，通過加大極弧系數(shù)αp，方波驅(qū)動的電動機比正弦波驅(qū)動的伺服電動機出力大。
d．采用圖1所示的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(yīng)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(guān)參數(shù)如磁導(dǎo)時，則應(yīng)按等效氣隙a，考慮。
3反電勢常數(shù)ke和力矩常數(shù)kt
這兩個常數(shù)是電機設(shè)計的具體技術(shù)要求所決定的，是伺服電動機最基本的參數(shù)，與電機的繞組和具體結(jié)構(gòu)有關(guān)。二者有一定的內(nèi)在聯(lián)系。一般認為，在國際單位制中伺服電動機的反電勢常數(shù)和力矩常數(shù)相等，但永磁交流伺服電動機卻不盡然。
方波驅(qū)動時，由分析可知，電機的相反電勢波形為梯形波，如囹2a |
