无刷永磁伺服电动机
永磁交流伺服电机原理
永磁交流伺服电机原理近年来由于无刷式伺服（马达）电机(brushless servo motor)制造与控制技术的急速发展，再加上大规模集成电路与半导体功率组件的进步，使其商品化产品日益增多，在高性能伺服应用场合如计算机控制数值工具机、工业机器人等，均已逐渐取代了传统式的有电刷的直流伺服电机(dc servo motor)。
无刷式伺服电动机主要可分为两大类(表1) (1)无刷式直流伺服电机(brushless dc servo motor)，一般亦称的为永磁式同步电机(PM synchronous motor) 或永磁式交流伺服电机(PM ac servo motor)，(2)感应式交流伺服电机(induction ac servo motor)。
无刷式直流伺服电机采用内装式的霍尔效应(Hall-effect)传感器组件来检测转子的绝对位置以决定功率组件的触发时序，其效用有如将直流伺服电机的机械式电刷换相(mechanical commutation)改为电子式换相(electronic commutation)，因而去除了直流伺服电动机因电刷所带来的限制。
目前一般永磁式交流伺服电机的回接组件多采用解角器(resolver) 或光电解编码马器(photo encoder)，前者可量测转子绝对位置，后者则祇能测得转子旋转的相对位置，电子换相则设计于驱动器内。
表1伺服电机的分类永磁式直流伺服电动机如图1(a)所示，其永久磁铁在外，而会发热的电枢线圈(armature winding)在内，因此散热较为困难，降低了功率体积比，在应用于直接驱动(direct-drive)系统时，会因热传导而造成传动轴(如导螺杆)的热变形。
但对交流伺服电机而言，不论是永磁式或感应式，其造成旋转磁场的电枢线圈，如图1(b)所示，均置于电机的外层，因而散热较佳，有较高的功率体积比，且可适用于直接驱动系统。
交流电机依其扭矩产生方式可分为两大类(1)同步交流电机(synchronous ac motor)与(2)感应交流电机(induction ac motor)，同步交流电机因其转子可由外界电源或由本身磁铁而造成的磁场与定子的旋转磁场交互作用而达到同步转速，但是感应交流电机的转子则因定子与转子间的变压器效应(transformer effect)而产生转子感应磁场，为了维持此感应磁场以产生旋转扭矩，转子与定子的旋转磁场间必须有一相对运动—滑差(slip)，因此感应电机的转速无法达到同步转速。
五种新型电机简介
五种新型电机简介姓名：赵涛学号：20121102491、超声波电机简介：原理：超声波电机就是利用超声波频率范围内的机械振动来获得动力源的装置，借助摩擦传递弹性超声波振动以获得动力。
超声波电机获得能量的超声波振动源又与压电陶瓷有着密切联系，当对压电陶瓷施加交变电压时，压电陶瓷本身或压电陶瓷和金属的混合体就会产生周期性地伸缩，即逆压电效应，通过这种伸缩，电机产生了动力。
人耳所能听到的的声音频率约为20Hz-20KHZ，而当频率超过20KHz以上，人耳便无法辨识，成为超声波。
对超声波电机的压电材料输入电压所产生的是晶体的形变，因此利用压电材料来带动转子，其前进的距离相当小，约是微米等级，因此若要此电机做长距离运动，就必须输入超声波的高频电压，使定子产生极高的振动频率才能得到合适的转速，这也正是超声波电机的由来。
特点: 1、超声波电机弹性振动体的振动速度和依靠摩擦传递能量的方式决定了它是一种低速电机，同时其能量密度是电磁电机的5到10倍左右，使得它不需要减速机构就能低速时获得大转矩，可直接带动执行机构。
2、超声波电机的构成不需要线圈与磁铁，本身不产生电磁波，所以外部磁场对其影响较小。
3、超声波电机断电时，定子与转子之间的静摩擦力使电机具有较大的静态保持力矩，从而实现自锁，省去了制动闸，简化了定位控制，其动态响应时间也较短。
4、超声波电机依靠定子的超声振动来驱动转子运动，超声振动的振幅一般在微米数量级，在直接反馈系统中，位置分辨率高，容易实现较高的定位控制精度。
应用:1、超声波电机可用于照相机的自动聚焦系统的驱动器；航空航天领域的自动驾驶仪伺服驱动器；机器人或微型器械自动控制系统的驱动器；高级轿车门窗和座椅靠头调节的驱动装置；窗帘或百叶窗自动启闭装置；2、医学领域的人造心脏驱动器、人工关节驱动器；强磁场环境下设备的驱动装置，如磁悬浮列车的控制系统；不希望驱动装置产生磁场的场合，如磁通门的自动测试转台等。
2、 无刷直流电动机 ：原理：无刷永磁电动机伺服系统主要由4个部分组成：永磁同步电动机MS 、转子位置检测器BQ 、逆变器和控制器。
直流无刷电机与永磁同步电机区别
无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应反电动势也是梯形波的。
无刷直流电机的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。
控制时各相电流也尽量控制成方波，逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。
本质上，无刷直流电机也是一种永磁同步电动机，调速实际也属于变压变频调速范畴。
通常说的交流永磁同步伺服电机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。
永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制方式。
两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。
最后明确一个概念，无刷直流电机的所谓“直流变频”实质上是通过逆变器进行的交流变频，从电机理论上讲，无刷直流电机与交流永磁同步伺服电机相似，应该归类为交流永磁同步伺服电机；但习惯上被归类为直流电机，因为从其控制和驱动电源以及控制对象的角度看，称之为“无刷直流电机”也算是合适的。
无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应反电动势也是梯形波的。
无刷直流电机的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。
控制时各相电流也尽量控制成方波，逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。
本质上，无刷直流电动机也是一种永磁同步电动机，调速实际也属于变压变频调速范畴。
通常说的永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。
永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制策略。
伺服电机_百度百科
⑸同功率下有较小的体积和重量。
自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行，分别称为摪胧只瘮或抟旌鲜綌、撊只瘮理 历史 生活 社会 艺术 人物 经济 科学 体育 核心用户 NBA
伺服电机科技名词定义
中文名称：伺服电机 英文名称：servo motor
定义：转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压
以生产机床数控装置而著名的日本法那克（Fanuc）公司，在20世纪80年代中期也推出了S系列（13个规格）和L系列（5个规格）的永磁交流伺服电动机。L系列有较小的转动惯量和机械时间常数，适用于要求特别快速响应的位置伺服系统。
日本其他厂商，例如：三菱电动机（HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系列）、东芝精机（SM系列）、大隈铁工所(BL系列）、三洋电气（BL系列）、立石电机（S系列）等众多厂商也进入了永磁交流伺服系统的竞争行列。
六个系列。20世纪90年代先后推出了新的D系列和R系列。由旧系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、80C、154CPU和门阵列芯片控制，力矩波动由24％降低到7％，并提高了可靠性。这样，只用了几年时间形成了八个系列（功率范围为0.05～6kW）较完整的体系，满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要。
无刷直流电动机与永磁同步电动机的结构和性能比较
无刷直流电动机与永磁同步电动机的结构和性能比较1.在电动机结构与设计方面这两种电动机的基本结构相同，有永磁转子和与交流电动机类似的定子结构。
但永磁同步电动机要求有一个正弦的反电动势波形，所以在设计上有不同的考虑。
它的转子设计努力获得正弦的气隙磁通密度分布波形。
而无刷直流电机需要有梯形反电动势波，所以转子通常按等气隙磁通密度设计。
绕组设计方面进行同样目的的配合。
此外，BLDC控制希望有一个低电感的绕组，减低负载时引起的转速下降，所以通常采用磁片表贴式转子结构。
内置式永磁（IPM）转子电动机不太适合无刷直流电动机控制，因为它的电感偏高。
IPM结构常常用于永磁同步电动机，和表面安装转子结构相比，可使电动机增加约15%的转矩。
2.转矩波动两种电动机性能最引人关注的是在转矩平稳性上的差异。
运行时的转矩波动由许多不同因素造成，首先是齿槽转矩的存在。
已研究出多种卓有成效的齿槽转矩最小化设计措施。
例如定子斜槽或转子磁极斜极可使齿槽转矩降低到额定转矩的1%～2%以下。
原则上，永磁同步电动机和无刷直流电动机的齿槽转矩没有太大区别。
其他原因的转矩波动本质上是独立于齿槽转矩的，没有齿槽转矩时也可能存在。
如前所述，由于永磁同步电动机和无刷直流电动机相电流波形的不同，为了产生恒定转矩，永磁同步电动机需要正弦波电流，而无刷直流电动机需要矩形波电流。
但是，永磁同步电动机需要的正弦波电流是可能实现的，而无刷直流电动机需要的矩形波电流是难以做到的。
因为无刷直流电动机绕组存在一定的电感，它妨碍了电流的快速变化。
无刷直流电动机的实际电流上升需要经历一段时间，电流从其最大值回到零也需要一定的时间。
因此，在绕组换相过程中，输入到无刷直流电动机的相电流是接近梯形的而不是矩形的。
每相反电动势梯形波平顶部分的宽度很难达到120°。
正是这种偏离导致无刷直流电机存在换相转矩波动。
在永磁同步电动机中驱动器换相转矩波动几乎是没有的，它的转矩纹波主要是电流纹波造成的。
永磁无刷直流电机的优缺点
无刷电机
优点
a）电子换向来代替传统的机械换向，性能可靠、永无磨损、故障率低，寿命比有刷电机提高了约6倍，代表了电动机的发展方向；
b）属静态电机，空载电流小；
c）效率高；
d）体积小。
缺点
a）低速起动时有轻微振动，如速度加大换相频率增大，就感觉不到振动现象了；
b）价格高，控制器要求高；
c）易形成共振，因为任何一件东西都有一个固有振动频率，如果无刷电机的振动频率与车架或塑料件的振动频率相同或接近时就容易形成共振现象，但可以通过调整将共振现象减小到最小程度。
所以采用无刷电机驱动的电动车有时会发出一种嗡嗡的声音是一种正常的现象。
d）脚踏骑行时较费力，最好是电力驱动与脚踏助力相结合。
永磁、串激、有刷、无刷电机
永磁、串激、有刷、无刷电机电动车用电机分类电动车常用电机一般是直流电机，用有、无永久磁铁分类，有永磁电机和串激电机两类。
电机旋转的部分叫转子，不转动的部分叫定子。
永磁电机的转子或者定子有一个是永久磁铁，另一个则是漆包线绕制的线包；串激电机的转子和定子都是漆包线绕制的线包。
同样功率的电机，永磁电机比串激电机省电。
永磁电机的磁铁怕高温，质量差的110度就会退磁，好的可到140度；串激电机没有永久磁铁，不存在这个问题。
目前市场上的货运三轮，电机功率一般在400瓦-900瓦，都使用串激电机，串激电机属于有刷电机。
代步三轮有300瓦左右就行了，一般使用永磁电机。
电动自行车电机一般为180瓦-250瓦，电动摩托350瓦-500瓦，这两种车也使用永磁电机。
永磁电机又分为有刷电机和无刷电机两大类。
有刷电机和无刷电机有刷、无刷是有无电刷的俗称。
直流电机连续转动，是靠转子磁场和定子磁场的同性相斥、异性相吸进行的。
线包里的电流在适当的时机必须转换，否则就会吸死不转。
有刷电机是靠换向器(学名叫整流子)和电刷的配合来自动完成，换向器和电刷装在电机内部。
一般有刷电机的电刷大约磨损2000小时就应该换新。
普通轮毂电机和柱式电机(也有叫中置电机的)需要专业维修人员才能更换，而串激电机普通用户自己就可以更换。
电刷的磨损还与电流大小以及电刷含银量有关。
货运三轮使用的串激电机电流很大，寿命到不了2000小时，几个月就得更换，碳刷含银量的多少价格相差很大。
有刷电机对外只有两条连线，永磁有刷电机交换连线就可以改变转动方向；串激电机没有永久磁铁，转子和定子都是绕组，其中定子磁场也叫激磁磁场，这两个绕组是独立的，当串联使用时，叫串激电机。
串激电机对外虽然也是两条连线，不同于永磁有刷电机交换连线就可以改变转动方向，而是交换转子绕组(一对线)或定子绕组(一对线)之中的一对即可。
无刷电机顾名思义，电机内部没有电刷。
绕组电流转换是靠外部的无刷速度控制器(以后简称无刷控制器)进行的。
永磁无刷电动机工作原理
永磁无刷电动机工作原理
永磁无刷电动机是一种将电能转换成机械能的装置，其工作原理是利用磁场与电流之间的相互作用产生转矩，驱动电动机的转子转动。
永磁无刷电动机主要由固定子（定子）和转子两部分组成。
定子通常由一组绕线圈构成，制造者会利用电流在线圈中产生磁场。
转子通常由永磁体构成，永磁体可以是磁铁或其它能产生永久磁场的材料。
电动机工作时，通电通过定子的线圈产生的磁场会在定子和转子之间形成一个旋转磁场。
此时，转子上的永磁体会受到定子磁场的作用而产生自旋力矩，并随着旋转磁场的变化而发生旋转。
因此，根据涡流感应定律，定子磁场的旋转会在转子上产生涡流，而涡流的磁场与定子磁场相互作用，从而产生转矩。
这个转矩将通过转子传递到旋转轴上，推动电动机输出机械功。
值得注意的是，永磁无刷电动机不需要通过刷子与转子短接来实现转子磁场的交替，因此称为无刷电动机。
与传统的直流电机相比，无刷电动机具有体积小、维护简单、效率高、寿命长等优点。
因此，无刷电动机在许多领域，如家用电器、工业设备和交通运输工具等方面具有广泛应用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
可编辑版
9
3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成
➢ 同步电动机变频调速系统的基本类型
根据变频电源频率控制方式的不同，同步电动机变频调 速系统可以分为他控变频和自控变频两大类。
他控变频：用独立的变频装置给同步电动机供电，通过 直接改变变频装置的输出频率调节电动机的转速，是一种 频率开环控制方式。
自控变频：所用的变频电源是非独立的，变频装置输出
图中的逆变器通常为由电力MOSFET、IGBT等全控
与普通同步电动机或感应电动机基本相同，转子方面则由永
磁体取代了电励磁同步电动机的转子励磁绕组 。
➢ 转子结构的三种基本形式 ：
转子结构是无刷永磁伺服电动机与其它电机最主要的区别，
对其运行性能、控制系统、制造工艺和适用场合等均具有重
要影响。按照永磁体在转子上位置的不同，无刷永磁伺服电
动机的转子结构一般可分为表面式（凸装式）、嵌入式和内
➢ 无刷永磁伺服电动机通常由变频电源供电
由恒频电源供电的永磁同步电动机仅适用于在要求恒速 运转的场合作为驱动电机使用。为了解决电动机的起动问 题，其转子上需装设笼型起动绕组（阻尼绕组），利用笼 型绕组感应产生的异步转矩将电动机加速到接近同步速， 然后由永磁体产生的同步转矩将转子牵入同步。
对于伺服电动机而言，一个基本要求是其转速能在宽广 的范围内连续调节，因此无刷永磁伺服电动机通常由变频 电源供电，采用变频调速技术实现转速调节。变频电源供 电的永磁同步伺服电动机，由于供电电源频率可以由低频 逐渐升高，可以直接利用同步转矩使电动机起动，故转子 上一般不设阻尼绕组。
电流（电压）的频率和相位受反映转子磁极空间位置的转
子位置信号控制，是一种定子绕组供电电源的频率和相位
自动跟踪转子磁极空间位置的闭环控制方式。由于电动机
输入电流的频率始终和转子的转速保持同步，采用自控变
频方式的同步电动机不会产生振荡和失步现象，故也称为
自同步电动机系统。
可编辑版
10
3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成
➢ 三种转子结构的比较
表面式的特点：表面式结构的电机交、直轴电感相等， 是一种隐极式同步电动机；由于有效气隙较大，绕组电感 低，有利于改善电机的动态性能；可使转子做的直径小，
惯量低。因此许多无刷永磁伺服电动机都采用这种结构。
可编辑版
7
3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构
嵌入式和内置式的特点：交、直轴磁路磁阻是不相等的。 内置式转子的交、直轴磁路如图3-4所示。直轴磁路磁阻大 于交轴磁路磁阻，因此内置式和嵌入式转子结构的无刷永 磁伺服电动机属于凸极同步电动机。
11
3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成
基本工作原理： 由转子位置检测器产生转子磁极的空间 位置信号，并将其提供给控制器；控制器根据来自外部 （如上位机等）的控制信号和来自位置检测器的转子位置 信号，产生逆变器中各功率开关器件的通断信号；由逆变 器将输入直流电压转换成具有相应频率和相位的交流电流 和电压，供给伺服电动机。
置式三种基本形式。
可编辑版
3
3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构
表面式转子：典型结构如图3-1a）所示，永磁体通常呈 瓦片形，通过环氧树脂直接粘贴在转子铁心表面上。
在体积和功率较小的无刷永磁伺服电动机中，也可以采 用圆环形永磁体，如图3-1b）所示，永磁体为一整体的圆 环，该结构的转子制造工艺性较好。
b）永磁体横向充磁
图3-3 内置式转子结构
可编辑版
6
3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构
当电动机极数较多时，径向充磁结构受到永磁体供磁面 积的限制，不能提供足够的每极磁通，而横向充磁结构由 于相邻磁极表面极性相同，每个极距下的磁通由相邻两个 磁极并联提供，可得到更大的每极磁通。横向充磁结构的 不足之处是漏磁系数较大，且转轴上需采取适当的隔磁措 施，如采用非磁性转轴或在转轴上加非磁性隔磁衬套，使 制造成本增加，制造工艺变得复杂。
➢ 无刷永磁电动机伺服系统的组成
由于他控变频的同步电动机存在振荡和失步等问题，因 此无刷永磁伺服电动机通常采用自控变频方式，所构成的 无刷永磁电动机伺服系统如图3-5所示。
组成：主要由永磁 同步电动机MS、转子 位置检测器BQ、逆变 器和控制器4个部分组 成。
图3-5 无刷永磁电动机伺服系统的组成
可编辑版
第3章 无刷永磁伺服电动机
3.1 概述 3.2 无刷直流电动机 3.3 正弦波永磁同步电动机及其矢量控制伺服
驱动系统 3.4 无刷永磁伺服电动机与三相感应伺服电动
机的比较
可编辑版
1
3.1 概述
3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构 3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成 3.1.3 无刷永磁伺服电动机的分类
a）永磁体为瓦片形
b）永磁体为圆环形
图3-1 表面式转子结构
可编辑版
4
3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构
嵌入式转子：结构如图3-2所示，永磁体嵌装 在转子铁心表面的槽中。
对于高速运行的伺服电动机， 采用表面式或嵌入式时，为了 防止离心力的破坏，常需在其 外表面再套一非磁性金属套筒 或包以无纬玻璃丝带作为保护 层。
可编辑版
2
3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构
无刷永磁伺服电动机也称为交流永磁伺服电动机，通常是
指由永磁电动机和相应驱动、控制系统组成的无刷永磁电动
机伺服系统，其本质上是一种自控变频同步电动机系统，有
时也仅指永磁电动机本体。无刷永磁伺服电动机就电动机本
体而言是一种采用永磁体励磁的多相同步电动机，定子结构
图3-2 嵌入式转子结构
可编辑版
5
3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构
内置式转子：永磁体不是装在转子表面上，而是位于转 子铁心内部，可能的几何形状有多种，图3-3给出了两种典 型结构。图3-3a）所示转子结构中永磁体为径向充磁，在 图3-3b）所示转子结构中永磁体为横向充磁。
a）永磁体径向充磁
注意：电励磁凸极同步
电动机中直轴磁路磁阻小
于交轴磁路，因此直轴同
步电抗Xd（电感Ld）大于
交轴同步电抗Xq（电感
Lq），而永磁同步电动机 a）直轴相反，其交、直轴
图3-4 内置式无刷永磁伺服电动
绕组电感的关系是LqLd。
机的交、直轴磁路
可编辑版
8
3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成