无刷直流电动机作为伺服电动机

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 中正好相反，其交、直轴
绕组电感的关系是LqLd。
a）直轴磁通路径
b）交轴磁通路径
图3-4 内置式无刷永磁伺服电动 机的交、直轴磁路
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3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成
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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 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。
图3-5 无刷永磁电动机伺服系统的组成
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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。
a）永磁体径向充磁
b）永磁体横向充磁
图3-3 内置式转子结构
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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。 三种转子结构的比较
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 ：
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）、嵌入式和内置式三 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。
图中的逆变器通常为由电力MOSFET、IGBT等全控 型器件构成，并采用脉宽调制技术的PWM逆变器，可 以直接将输入的不可调直流电压变成频率和大小均可调 的变频、变压交流电输出。在输入为交流电源的场合， 可由整流器将交流电整流，并经电容滤波后，作为直流 电源提供给逆变器，此时整流器和逆变器结合起来构成 了一台交-直-交变频器。
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。
b）永磁体为圆环形
图3-1 表面式转子结构
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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。
图3-2 嵌入式转子结构
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3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成
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。
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。
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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。
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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，漏磁小。
a）永磁体为瓦动机的基本结构 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
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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，有时也仅指永磁电动机本体。
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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（切向充 磁）。
相邻的永 磁体串联
相邻的永 磁体并联