直驱式永磁伺服电动机分析课件

低速直驱式永磁伺服电动机低速直驱式永磁伺服电动机电气工程学院电机研究所2014 李光友低速直驱式永磁伺服电动机电气工程学院电机研究所2014主要内容主要内容1.概述概述2.特殊问题分析特殊问题分析3.应用和发展趋势应用和发展趋势主要内容高速电机高速电机减速箱减速箱低速负载低速负载减速驱动减速驱动低速电机低速电机低速负载低速负载直接驱动直接驱动1.概述概述高速电机减速箱低速负载减速驱动低速电机低速负载直接驱动1.概1.概述概述 低速直驱伺服电动机是一种可以和负载装配在一起低速直驱伺服电动机是一种可以和负载装配在一起的、将电讯号直接转变为转矩的装置。其特点是外形扁的、将电讯号直接转变为转矩的装置。其特点是外形扁薄，有较大的外径和较小的轴向尺寸，可以做成无框架薄，有较大的外径和较小的轴向尺寸，可以做成无框架式的、转子中心有一个大孔便于直接安装到被驱动的负式的、转子中心有一个大孔便于直接安装到被驱动的负载轴上。在应用上具有较大的灵活性，适用于要求系统载轴上。在应用上具有较大的灵活性，适用于要求系统尺寸小、重量轻、功率消耗少、反应快速、位置或速度尺寸小、重量轻、功率消耗少、反应快速、位置或速度准确度高的场合。特别适用于高准确度高的场合。特别适用于高“堵转堵转”力矩运行的位力矩运行的位置随动系统和高力矩低速运行的速度控制系统。置随动系统和高力矩低速运行的速度控制系统。1.概述 低速直驱伺服电动机是一种可以和负载装配无框架式有框架式1.概述概述无框架式有框架式1.概述1.1 直驱电机的主要优点直驱电机的主要优点 耦合刚度高。耦合刚度高。直驱电动机是直接与负载耦合，实现了直驱电动机是直接与负载耦合，实现了无齿轮传动。没有齿轮，没有间隙误差，高的耦合刚度无齿轮传动。没有齿轮，没有间隙误差，高的耦合刚度使系统有高的机械共振频率，从很本上克服了由于齿轮使系统有高的机械共振频率，从很本上克服了由于齿轮啮合间隙给系统带来的不利因素。啮合间隙给系统带来的不利因素。转矩转矩/惯量比大和摩擦损耗小。惯量比大和摩擦损耗小。一般电动机通过齿轮减一般电动机通过齿轮减速箱驱动负载轴，使输出到负载轴上的力矩速箱驱动负载轴，使输出到负载轴上的力矩/惯量比减小，惯量比减小，直驱电动机不存在这个问题。一般电动机系统，减速箱直驱电动机不存在这个问题。一般电动机系统，减速箱传动摩擦力矩造成功率损耗。直驱电动机系统的摩擦力传动摩擦力矩造成功率损耗。直驱电动机系统的摩擦力矩可以减到最小。矩可以减到最小。1.概述概述1.1 直驱电机的主要优点1.概述 快速响应。快速响应。低速直驱电动机，由于低速直驱电动机，由于 转矩转矩/惯量惯量 比大，比大，机电时间常数一般仅为机电时间常数一般仅为12ms。比一般伺服电动机小。比一般伺服电动机小一个数量级。一个数量级。高位置分辨率。高位置分辨率。齿轮传动的系统中，齿轮啮合间隙齿轮传动的系统中，齿轮啮合间隙的存在，使系统在零点附近造成一个的存在，使系统在零点附近造成一个“死区死区”，因，因而降低了位置准确度，同样静阻力矩较大也使系统静而降低了位置准确度，同样静阻力矩较大也使系统静态精度降低。直驱电动机系统的位置精确度仅与误差态精度降低。直驱电动机系统的位置精确度仅与误差检测有关。检测有关。调速范围大和低速运行稳定。调速范围大和低速运行稳定。一般电动机转速在一般电动机转速在40r/min以下就出现转速抖动现象。低速直驱电动机以下就出现转速抖动现象。低速直驱电动机可在可在0.6r/min秒的低速下平稳运行。秒的低速下平稳运行。1.概述概述 快速响应。低速直驱电动机，由于 转矩/惯量 比大，机电时间 线性度高。线性度高。低速直驱电动机的转矩特性表明，力矩增低速直驱电动机的转矩特性表明，力矩增长正比于输入电流，转矩特性是线性的。没有由于转矩长正比于输入电流，转矩特性是线性的。没有由于转矩非线性所造成的非线性所造成的“死区死区”。结构简单紧凑。结构简单紧凑。无框架的直驱低速电动机可以做成是无框架的直驱低速电动机可以做成是被驱动装置整体的一部份，可以省去电动机本身的框架被驱动装置整体的一部份，可以省去电动机本身的框架外壳，省去减速箱，使伺服系统的结构零件减少外壳，省去减速箱，使伺服系统的结构零件减少50%以以上，大大节省设计和制造的技术费用和生产成本，有很上，大大节省设计和制造的技术费用和生产成本，有很好的经济效益。好的经济效益。1.概述概述 线性度高。低速直驱电动机的转矩特性表明，力矩增长正比于输入1.2 低速直驱电动机的主要类型低速直驱电动机的主要类型 永磁无刷电动机永磁无刷电动机，包括无刷直流电动机和永磁同步电动，包括无刷直流电动机和永磁同步电动机。机。横向磁场电机。横向磁场电机。横向磁场电机，从结构上实现了电路和横向磁场电机，从结构上实现了电路和磁路解耦磁路解耦,具有转矩密度高、结构简单、效率高等显著优具有转矩密度高、结构简单、效率高等显著优点。点。1.2 低速直驱电动机的主要类型直驱式永磁伺服电动机分析课件超声波电动机。超声波电动机。超声波电动机利用压电陶瓷材料超声波电动机利用压电陶瓷材料PZT 或高分子或高分子VDF 薄膜材料的逆压电效应薄膜材料的逆压电效应,通过转换压电振子的超声振动形成驱动能力通过转换压电振子的超声振动形成驱动能力,实现超声波振动能转换成机械能。与电磁型电机相比实现超声波振动能转换成机械能。与电磁型电机相比,具有结构紧凑具有结构紧凑简单、能量密度大、易调速、精度高、断电自锁、噪声小以及抗电磁简单、能量密度大、易调速、精度高、断电自锁、噪声小以及抗电磁干扰能力强等优点干扰能力强等优点。直线电机。直线电机。直线电机具有一系列优点：不存在直线电机具有一系列优点：不存在中间环节中间环节,可高速进行高精度跟踪与定位；不会可高速进行高精度跟踪与定位；不会受到离心力作用受到离心力作用,因而速度理论上可不受限制；因而速度理论上可不受限制；进给行程长度不受限制；结构简单进给行程长度不受限制；结构简单,噪声低。这噪声低。这一电机的不足之处表现为效率和功率因数较低一电机的不足之处表现为效率和功率因数较低以及端部效应明显。以及端部效应明显。超声波电动机。超声波电动机利用压电陶瓷材料PZT 或高分子V 在同步电机中转速在同步电机中转速 ，要降低电机的转速，要降低电机的转速可以采用增加电机极对数或降低电源频率的办法来实现。可以采用增加电机极对数或降低电源频率的办法来实现。考虑到低频方面的低限问题，使得通过采用降低电源频考虑到低频方面的低限问题，使得通过采用降低电源频率来实现低速目的的方法具有一定的局限性。因此在低率来实现低速目的的方法具有一定的局限性。因此在低速应用方面，应首先采用增加电机极对数的方法。速应用方面，应首先采用增加电机极对数的方法。在传统的电机结构中，增加电机的极对数后应该相在传统的电机结构中，增加电机的极对数后应该相应的增加电机的槽数，由于电机本身结构和加工工艺的应的增加电机的槽数，由于电机本身结构和加工工艺的要求，使得电机的槽数不能太多，于是便出现了分数槽要求，使得电机的槽数不能太多，于是便出现了分数槽电机。电机。2.直驱式永磁伺服电动机分析直驱式永磁伺服电动机分析 在同步电机中转速 （1）分数槽绕组的构成）分数槽绕组的构成每极每相槽数每极每相槽数 为分数时，称为分为分数时，称为分数槽绕组。当数槽绕组。当q近似等于近似等于1/3,节距节距y=1时，称为齿绕组，时，称为齿绕组，低速永磁同步电机常采用这种绕组。它具有以下优点：低速永磁同步电机常采用这种绕组。它具有以下优点：电机总槽数少，节省工时，槽利用率高。电机总槽数少，节省工时，槽利用率高。绕组端部短，材料利用率高。绕组端部短，材料利用率高。电机的轴向长度短。电机的轴向长度短。电机的齿槽转矩小。电机的齿槽转矩小。2.1 分数槽绕组分数槽绕组（1）分数槽绕组的构成2.1 分数槽绕组举例举例1：一台：一台6槽槽8极电机极电机 6槽槽8极电机双层绕组槽电势星形图极电机双层绕组槽电势星形图 6槽槽8极电机双层绕组结构图极电机双层绕组结构图 举例1：一台6槽8极电机 6槽8极电机双层绕组槽电势星形图 6槽槽8极电机单层绕组结构图极电机单层绕组结构图 6槽槽8极电机单层绕组槽电势星形图极电机单层绕组槽电势星形图 6槽8极电机单层绕组结构图 6槽8极电机单层绕组槽电势星形图举例举例1：一台：一台12槽槽14极电机极电机12槽槽14极电机双层绕组槽电势星形图极电机双层绕组槽电势星形图 12槽槽14极电机双层绕组结构图极电机双层绕组结构图 A：1 2 7 8B：9 10 3 4C：5 6 11 12举例1：一台12槽14极电机12槽14极电机双层绕组槽电势星12槽槽14极电机单层绕组结构极电机单层绕组结构 12槽槽14极电机单层绕组槽电势星形图极电机单层绕组槽电势星形图 ABC并不是所有的三相双层绕组都可化为三相单层绕组并不是所有的三相双层绕组都可化为三相单层绕组ABC12槽14极电机单层绕组结构 12槽14极电机单层绕组槽电势（2）分数槽绕组的电枢磁动势分数槽绕组的电枢磁动势以上面的以上面的6槽槽8极电机为例极电机为例 6槽槽8极电机双层绕组一相绕组的磁动势分布图极电机双层绕组一相绕组的磁动势分布图 6槽槽8极电机单层绕组一相绕组的磁动势分布图极电机单层绕组一相绕组的磁动势分布图 与正弦分布差距很大，即与正弦分布差距很大，即含有较多的谐波分量。含有较多的谐波分量。单层绕组的气隙磁动势的单层绕组的气隙磁动势的峰值是双层绕组的两倍。峰值是双层绕组的两倍。（2）分数槽绕组的电枢磁动势6槽8极电机双层绕组一相绕组的以以12槽槽14极电机为例极电机为例 12槽槽14极电机双层绕组磁动势和谐波成分分布图极电机双层绕组磁动势和谐波成分分布图 谐波极对数谐波极对数1 3 5 7 9,7次波为基次波为基波，低于波，低于7次波称为分数次谐波。次波称为分数次谐波。以12槽14极电机为例 12槽14极电机双层绕组磁动势和谐12槽14极电机单层绕组磁动势和谐波成分分布图 12槽14极电机单层绕组磁动势和谐波成分分布图（3）常用常用y1分数槽绕组极槽配合分数槽绕组极槽配合（3）常用y1分数槽绕组极槽配合（4）分数槽绕组的绕组系数计算分数槽绕组的绕组系数计算 y1时，一般时，一般 为小于为小于1的真分数，因此可以等效为的真分数，因此可以等效为 、的双层绕组，因而有：的双层绕组，因而有：t为电机电枢槽数为电机电枢槽数Z与电机极对数与电机极对数p的最大公约数。的最大公约数。分布系数为：分布系数为：（4）分数槽绕组的绕组系数计算 分布系数为：短距系数为：短距系数为：y1常见分数槽绕组槽绕组参数常见分数槽绕组槽绕组参数 短距系数为：y1常见分数槽绕组槽绕组参数 续表续表2.2 齿槽转矩及其削弱方法齿槽转矩及其削弱方法（1）永磁电机齿槽转矩产生的机理）永磁电机齿槽转矩产生的机理 齿槽转矩是永磁电机绕组不通电时，永磁体和铁心之间的相互齿槽转矩是永磁电机绕组不通电时，永磁体和铁心之间的相互作用产生的转矩，其平均值为作用产生的转矩，其平均值为0，主要影响电机的低速性能。，主要影响电机的低速性能。永磁体与电枢的相对位置永磁体与电枢的相对位置 2.2 齿槽转矩及其削弱方法永磁体与电枢的相对位置 当永磁体与铁心有相对运动时，若磁场能量发生变当永磁体与铁心有相对运动时，若磁场能量发生变化，则就会产生转矩，因为磁场能量变化是有定子铁心化，则就会产生转矩，因为磁场能量变化是有定子铁心开槽引起的，所以称为齿槽转矩，计算公式为开槽引起的，所以称为齿槽转矩，计算公式为 由于分数槽电机，各个极下定子齿与永磁体对应由于分数槽电机，各个极下定子齿与永磁体对应位置不同，所以齿槽转矩较整数槽电机小。位置不同，所以齿槽转矩较整数槽电机小。整数槽（2极/6槽）分数槽（8极/6槽）当永磁体与铁心有相对运动时，若磁场能量发生变化（2）齿槽转矩削弱方法）齿槽转矩削弱方法 改变磁极参数改变磁极参数 改变磁极参数是通过改变对齿槽转矩起主要作用的的改变磁极参数是通过改变对齿槽转矩起主要作用的的幅值，达到削弱齿槽转矩的目的。这类方法主要包括改变幅值，达到削弱齿槽转矩的目的。这类方法主要包括改变磁极的极弧系数、采用不等厚永磁体、磁极偏移、斜极、磁极的极弧系数、采用不等厚永磁体、磁极偏移、斜极、不等极弧系数组合等。不等极弧系数组合等。极弧系数极弧系数（2）齿槽转矩削弱方法极弧系数磁极不等厚磁极不等厚磁极偏移磁极偏移磁极不等厚磁极偏移 改变电枢参数改变电枢参数 改变电枢参数能够削弱齿槽转矩。这类方法主要包括改变电枢参数能够削弱齿槽转矩。这类方法主要包括改变槽口宽度、改变齿的形状、不等槽口宽、斜槽、开辅改变槽口宽度、改变齿的形状、不等槽口宽、斜槽、开辅助槽等。助槽等。改变槽口宽度改变槽口宽度开辅助槽开辅助槽 改变电枢参数改变槽口宽度开辅助槽 合理选择电枢槽数和极数合理选择电枢槽数和极数 在定转子相对位置变化一个齿距的范围内，齿槽转在定转子相对位置变化一个齿距的范围内，齿槽转矩是周期性变化，变化的周期数取决于电枢槽数和极数矩是周期性变化，变化的周期数取决于电枢槽数和极数的组合。的组合。表示槽数表示槽数z与极数与极数2p的最大公约数。的最大公约数。Np 越大，齿槽转矩越小。越大，齿槽转矩越小。例如例如2极极6槽电机，槽电机，Np=1；而；而4极极6槽电机，槽电机，Np=2 合理选择电枢槽数和极数 表示槽3.低速永磁直驱电动机的应用和发展趋势低速永磁直驱电动机的应用和发展趋势3.1 应用应用 家用电器产品家用电器产品。以永磁无刷电动机替代单相交流异步电。以永磁无刷电动机替代单相交流异步电动机动机,能够实现空调器、冰箱、洗衣机等家用电器的直驱能够实现空调器、冰箱、洗衣机等家用电器的直驱变频调速变频调速,使其转速随工况自动调节，提高了节能、电磁使其转速随工况自动调节，提高了节能、电磁兼容性能兼容性能,并且降低了噪声。如并且降低了噪声。如:采用直驱式永磁无刷电采用直驱式永磁无刷电动机的洗衣机效率可提高近动机的洗衣机效率可提高近30%,同样采用直驱式永磁无同样采用直驱式永磁无刷电动机的变频空调效率可以提高近刷电动机的变频空调效率可以提高近20%,效果显著。效果显著。3.低速永磁直驱电动机的应用和发展趋势 电动交通工具。电动交通工具。在直驱式电动汽车系统中在直驱式电动汽车系统中,永磁同步电永磁同步电动机系统以其高效、高控制精度、高转矩密度、良好的动机系统以其高效、高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性及低振动噪声的特点受到国外电动汽车界的转矩平稳性及低振动噪声的特点受到国外电动汽车界的高度重视高度重视,尤其在日本得到了极为广泛的应用。尤其在日本得到了极为广泛的应用。电动自行车电动自行车电动汽车电动汽车电动机车电动机车 电动交通工具。在直驱式电动汽车系统中,永磁同步电动机系统直驱式永磁伺服电动机分析课件直驱式永磁伺服电动机分析课件直驱式永磁伺服电动机分析课件直驱式永磁伺服电动机分析课件直驱式永磁伺服电动机分析课件 工业自动化设备领域。工业自动化设备领域。低速大力矩永磁无刷电动机可低速大力矩永磁无刷电动机可以省去机械设备中的传动机构以省去机械设备中的传动机构,简化结构简化结构,满足高效率、满足高效率、高精度、高性能的要求高精度、高性能的要求,在数控机床、组合机床、自动在数控机床、组合机床、自动纺织、印刷、包装、冶金、邮政机械、自动化生产流水纺织、印刷、包装、冶金、邮政机械、自动化生产流水线和各种专用设备方面都有广泛应用。线和各种专用设备方面都有广泛应用。工业自动化设备领域。低速大力矩永磁无刷电动机可以省去机械设传统的游梁式抽油机传统的游梁式抽油机传统的游梁式抽油机低速大转矩电动机 控制柜驱动轮导向轮传动皮带平衡重机架直驱电机抽油机主要构成313233343536371234567838悬绳器导向轮低速大转矩电动机 直驱电机抽油机主要构成3 电机最显电机最显著的特点就是著的特点就是低转速、大转低转速、大转矩矩。电机直接。电机直接驱动滚轮装置，驱动滚轮装置，无需减速机构。无需减速机构。低速大转矩电动机 电机最显著的特点就是低转速、大转矩。电机直接驱动滚轮浙大开发的抽油机复式直驱永磁电机浙大开发的抽油机复式直驱永磁电机浙大开发的抽油机复式直驱永磁电机直驱式永磁伺服电动机分析课件 无位置传感器控制技术无位置传感器控制技术。传统无刷直流电动机都需要。传统无刷直流电动机都需要一套位置传感器来确定转子位置一套位置传感器来确定转子位置,这一方面增加了成本这一方面增加了成本,另一方面可靠性与灵敏度易受环境的限制。所以另一方面可靠性与灵敏度易受环境的限制。所以,无位无位置传感器的位置信号检测技术是发展的必然趋势。目前置传感器的位置信号检测技术是发展的必然趋势。目前常用检测方法有反电动势法、续流二极管法、电感法、常用检测方法有反电动势法、续流二极管法、电感法、状态观测器法等。总的来说状态观测器法等。总的来说,国内无位置永磁无刷电动国内无位置永磁无刷电动机驱动系统的研究还处于试验和探索机驱动系统的研究还处于试验和探索,距实用存有距离。距实用存有距离。3.2 研究的热点问题研究的热点问题 无位置传感器控制技术。传统无刷直流电动机都需要一套位置传感 转矩脉动的抑制转矩脉动的抑制。转矩脉动包括由定子电流和转子磁。转矩脉动包括由定子电流和转子磁场相互作用产生的脉动场相互作用产生的脉动;换相时由电机绕组电感阻碍电换相时由电机绕组电感阻碍电流瞬时变化而引起的脉动以及由永磁体磁场和定子铁心流瞬时变化而引起的脉动以及由永磁体磁场和定子铁心齿槽作用产生的转矩。齿槽作用产生的转矩。电机本体设计电机本体设计。本体设计主要集中在定子绕组设计、。本体设计主要集中在定子绕组设计、齿槽数的优化以及磁钢尺寸的优化等方面。齿槽数的优化以及磁钢尺寸的优化等方面。永磁材料的研究和保护永磁材料的研究和保护。目前。目前,国产钕铁硼最大剩磁国产钕铁硼最大剩磁1.42 T,最大矫顽力最大矫顽力2 388 kA/m,最大磁能积最大磁能积400 kJ/m3,其特性决定了电机功率其特性决定了电机功率,目前单机容量仅几十千瓦目前单机容量仅几十千瓦,因此因此,如何突破功率限制成为永磁材料研究领域的重要课题。如何突破功率限制成为永磁材料研究领域的重要课题。转矩脉动的抑制。转矩脉动包括由定子电流和转子磁场相互作用3.3 发展趋势发展趋势 低振动、高效率、低噪声低振动、高效率、低噪声。作为驱动电机。作为驱动电机,特别是低特别是低速大力矩直接驱动电动机速大力矩直接驱动电动机,为了在各自应用场合有良好为了在各自应用场合有良好表现表现,对电机性能有严格要求。低振动使得电机运行平对电机性能有严格要求。低振动使得电机运行平稳稳,从而保证系统的精度从而保证系统的精度,其关键是抑制电机输出转矩其关键是抑制电机输出转矩的脉动。高效率是为了节能和降低运行成本的脉动。高效率是为了节能和降低运行成本,在当下能在当下能源不断紧缺时源不断紧缺时,显得格外重要。而在很多应用场合对电显得格外重要。而在很多应用场合对电机的噪声有很高的要求机的噪声有很高的要求,如宾馆、会议室等等。如宾馆、会议室等等。3.3 发展趋势 数字化、智能化数字化、智能化。数字化是指在其控制单元中采用数字。数字化是指在其控制单元中采用数字控制芯片控制芯片,并综合现代控制理论、电力电子技术、微电子并综合现代控制理论、电力电子技术、微电子技术技术,从而实现对电机的控制。目前从而实现对电机的控制。目前,电动机控制的模拟电动机控制的模拟实现正逐渐退出历史舞台实现正逐渐退出历史舞台,而采用微处理器、而采用微处理器、DSP 等现等现代数字处理芯片的数字控制系统得到了快速发展。随着代数字处理芯片的数字控制系统得到了快速发展。随着数字芯片运算速度不断提高、外设功能不断增强、控制数字芯片运算速度不断提高、外设功能不断增强、控制理论不断进步理论不断进步,电机控制系统正朝着高精度、高性能、信电机控制系统正朝着高精度、高性能、信息化网络化、智能化方向发展。息化网络化、智能化方向发展。数字化、智能化。数字化是指在其控制单元中采用数字控制芯片,一体化一体化(模块化模块化)。一体化是指多台电机组合、电机和传一体化是指多台电机组合、电机和传感器的组合、电机和其他机械组合、电机和控制器组合感器的组合、电机和其他机械组合、电机和控制器组合,直至将电机、控制器和传感器等构成一体直至将电机、控制器和传感器等构成一体,形成一套电动形成一套电动控制系统控制系统,从而明显提高系统的精度和可靠性。从而明显提高系统的精度和可靠性。随着新原理、新结构、新材料、新器件、新理论、新随着新原理、新结构、新材料、新器件、新理论、新工艺以及新设计手段的不断涌现工艺以及新设计手段的不断涌现,出现了许多新型的低速出现了许多新型的低速大力矩直接驱动电动机大力矩直接驱动电动机,如如SR 电机、静电电机、光热电电机、静电电机、光热电机、热磁电机、微波电机、片状电机、磁滞伸缩电机和磁机、热磁电机、微波电机、片状电机、磁滞伸缩电机和磁流体电机等。这类电机在经济建设中扮演着越来越重要的流体电机等。这类电机在经济建设中扮演着越来越重要的角色。角色。一体化(模块化)。一体化是指多台电机组合、电机和传感器的组谢谢！谢谢！