永磁无刷电动机系统发展现状

引用永磁无刷电动机系统发展现状

无刷电机绕组绕线机

2008-11-29 19:55:17| 分类：默认分类 | 标签： |字号大中小订阅

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David 的永磁无刷电动机系统发展现状

莫会成

（西安微电机研究所, 西安 710077）

来源：永磁电机会议论文集，编辑：闫晶芬

摘要：永磁无刷电动机系统是以电机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构的电气传动控制系统。随着电机技术、控制理论、数字脉宽调制技术、新材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，伺服系统经历了从步进伺服

到直流伺服，进而到永磁无刷电机伺服系统的发展历程，目前已成为电机控制技术的主流方向。

1 系统组成

永磁无刷电动机系统是根据位置、速度和转矩等反馈信息构成的控制系统，由永磁无刷电动机、传感（传感器）和驱动器三部分组成（见图1）。系统有开环运行、转矩控制、速度控制和位置控制4种基本运行方式，见图2~图5。其中图4和图5是用于高精度的控制系统，如数控机床的进给驱动等。

图1 永磁无刷电动机系统方框图

图2 开环运行方框图

图3 转矩控制系统方框图图

图4 速度控制系统方框图

永磁无刷电动机是通过电子电路换相或电流控制的永磁电动机。永磁无刷电动机有正弦波驱动和方波驱动两种型式：驱动电流为矩形波的通常称为永磁无刷直流电动机，驱动电流为正弦波的通常称为永磁交流伺服电动机，按传感类型可分为有传感器电动机和无传感器电动机。

驱动器指接受控制指令、可实现对电动机的转矩、速度和转子位置控制的电气装置。

驱动器按其控制电路和软件的实现方式可分为模拟量控制、数字模拟混合控制和全数字控制三种；按驱动方式可分为方波驱动和正弦波驱动。

图5 位置控制系统方框图

传感部分的作用是检测永磁无刷电动机的位置、速度和电流。常用的传感器有接近开关、光电编码器、旋转变压器、霍尔元件和电流传感器等。

2 结构、设计和工艺

2.1 电机结构

永磁无刷直流电动机的基本结构是将永磁直流电动机的定、转子位置进行互换，通常称为“内翻外”，转子为永磁结构，产生气隙磁通，定子为电枢，有多相对称绕组，直流电动机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置传感器所代替。所以无刷电动机实际上是一种永磁同步电机，如图6所示。

图6 永磁无刷电动机结构图7 外转子永磁无

刷直流电动机

另外，永磁无刷直流电动机可以做成外转子型和盘式转子型。其结构见图7和图8。外转子型电机的永磁磁极转子位于定子的外侧，转矩脉动小，容易做成扁平型，惯量较大。盘式转子型电机的气隙平面与轴垂直，盘式转子与永磁磁极相向配置，电机成扁平形，可做成有槽结构，见图8，也可以做成无槽、无铁心结构。这种电动机常用于FDD和CD的直接驱动等。

图8 盘式转子无刷直流电动机

无刷直流电动机多采用钐钴（SmCo）和钕铁硼（NdFeB）等稀土永磁。常见的转子结构有表面式磁极，嵌入式磁极和环形磁极3种，如图9所示。图9a结构是在铁心表面粘贴径向充磁的瓦片形永磁体，有时也采用矩形小条拼装成瓦片形磁极，以降低制造成本。图9b结构是在铁心中嵌入矩形永磁体。其优点是一个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可以获得较大的磁通。但结构需要作隔磁处理或者采用不锈钢轴。对于高转速运行的电机，图9a和图9b的结构需在转子外表面套一个0.3 mm~0.8 mm 的磁性紧圈，防止离心力将磁钢甩出。紧圈材料通常采用不导磁的不锈钢，也可以用环氧无纬玻璃丝带缚扎。图9c结构是在铁心外套上一个整体稀土永磁环。该环形磁体径向充磁为多极，适用于小功率的电机。这种结构的转子制造工艺性较好。

2.2 设计工艺技术发展动向

1）设计手段不断完善

随着计算机技术的发展以及电磁场数值计算、优化设计和仿真技术的不断完善，形成了以电磁场数值计算、等效磁路解析求解、场路结合求解等一整套分析研究方法和计算机辅助分析的设计软件。如Ansoft公司、MagneForce公司、Jmag公司均推出各种类型的电机设计软件，以方便快捷地完成从电机的电磁设计计算、损耗计算、优化设计、噪声抑制、特性分析等。针对无刷电机特点，提供多种转子类型、多种绕组型式及主电路的连接方式，

以便组合。2006年三季度，加拿大以电磁计算分析著名的Infolytica公司，推出了专门针对永磁无刷电机的Motorsolve 设计软件。

图9 无刷直流电动机转子结构形式

这些软件除了对电机进行电磁设计，还可对电机在槽形、绕组、材料等设计变量改变情况下多方案比较分析、电磁场精确计算和电机多目标优化设计，并包括控制电路、控制算法在内的整个设计流程，既可以提供任意时刻电机内电磁场分布数据，又能对电机工作时所关心的各类运行曲线，如转矩、转速、电流、功率、效率等提供结果，同时还能提供齿槽转矩、转矩脉动、转速波动等详细指标参数，并可完成电机的各类正常工况和故障工况的仿真实验，包括起动、堵转、突加突减负载、突然短路等等。

2）分数槽技术应用日益增多

分数槽绕组技术在永磁无刷电动机中的应用已逐渐增多。如在电动自行车电机中采用三相、40极、36槽；Collmorgen公司Goldline系列交流伺服电机采用4极、18槽，6极、24槽等；松下伺服电机采用6极、9槽，8极、12槽等每极每相槽数q=1/2的分数槽绕组结构。

对于多极的无刷电动机采用分数槽绕组，可以较少的定子槽数达到多槽能达到的效果。采用分数槽绕组有以下优点：

a)电机电枢槽数大为减少，有利于槽利用率的提高；

b)较少数目的元件数，可简化嵌线工艺和接线，有助于降低成本；

c)有可能得到线圈节距y=1的设计（集中绕组），便于采用自动绕线机绕制，提高工效；同时各个线圈端部没有重叠，不必设相间绝缘；

d)线圈周长和绕组端部缩短，电动机绕组电阻减小，铜损随之也减低，提高了电动机的性能。采用分数槽绕组的磁动势谐波远大于整数槽绕组，如图10所示。

图10 整数槽绕组与分数槽绕组（q=1/2）时的反电动势比

较

3）无槽、无铁心结构电机

无铁心无刷电动机的出现是采用新材料、新工艺的结果。电枢采用耐热性能优越的材料制成刚性整体，可以在高温及高速情况下长期稳定运行；由于电枢无铁心，电感小，完全消除了铁心中的磁滞损耗和涡流损耗，消除了由齿槽效应带来的转矩波动，