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內(nèi)置的永磁大幅度提高了伺服電機(jī)的性能

發(fā)布者： admin 時(shí)間：2021/3/30 10:30:25

　　內(nèi)置式永磁同步電機(jī)通過(guò)改進(jìn)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，提高了磁通量密度，實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)速下的高扭矩，使電機(jī)性能得到顯著改善。

　　永磁同步電機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)刷伺服電機(jī)，是利用旋轉(zhuǎn)的磁轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生所需的磁場(chǎng)，以產(chǎn)生有效的輸出扭矩。一般情況下，為了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，通常將磁鐵安裝在轉(zhuǎn)子周?chē)?。與其他安裝方式相比，這種外置式磁體安裝方式在許多應(yīng)用場(chǎng)合都能提供良好的動(dòng)態(tài)性能，且成本較低。它被稱(chēng)為表面永磁體(SPM)設(shè)計(jì)。

　　系列無(wú)刷式電機(jī)，采用磁鐵埋式轉(zhuǎn)子。

　　中慣量M系列(使用慣性盤(pán)進(jìn)行慣量匹配)和低慣量B系列(未顯示)。它。

　　該設(shè)備的選擇包括70hp以上型號(hào)的水冷設(shè)計(jì)。

　　此外，在高性能無(wú)刷伺服電機(jī)方面，還可以采用內(nèi)置永磁電機(jī)(IPM)、內(nèi)嵌式永磁電機(jī)、內(nèi)嵌式永磁電機(jī)和埋入式永磁電機(jī)等多種方案。無(wú)論人們稱(chēng)之為什么結(jié)構(gòu)，它實(shí)際上都是將磁鐵安裝在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，以提高電機(jī)的扭矩-速度性能，改善電機(jī)的其他特性。本論文采用IPM技術(shù)對(duì)其進(jìn)行命名。

　　其電機(jī)轉(zhuǎn)子形狀的設(shè)計(jì)和磁鐵突極結(jié)構(gòu)的設(shè)置，都是為了改善磁阻力矩特性，提高磁通密度。磁電阻轉(zhuǎn)矩可用于增加電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，但這需要更復(fù)雜的伺服放大器和控制算法。該方法也可在適當(dāng)?shù)膽?yīng)用場(chǎng)合簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)子突極無(wú)傳感器反饋技術(shù)的應(yīng)用。

　　內(nèi)磁結(jié)構(gòu)有一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)，那就是減小轉(zhuǎn)子直徑，減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。北美GEFanuc自動(dòng)化公司的伺服產(chǎn)品經(jīng)理PaulWebster指出：IPM伺服馬達(dá)的高速性能和高加速性能是使用內(nèi)置稀土磁體(如釹鐵硼、Nd-Fe-B)的結(jié)果。Webster說(shuō)：“在轉(zhuǎn)子中放置高磁密度的磁體可以?xún)?yōu)化轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，使通量分布盡可能接近正弦分布，而且由于電樞反應(yīng)的作用，嵌入磁體結(jié)構(gòu)的磁路飽和度也較低?！?/span>

　　IPM設(shè)計(jì)的其他優(yōu)點(diǎn)包括轉(zhuǎn)子的機(jī)械結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，平衡度高。Webster解釋說(shuō)，內(nèi)置的磁鐵不會(huì)脫落或損壞，這使得電機(jī)可以高速轉(zhuǎn)動(dòng)而不用擔(dān)心振動(dòng)或轉(zhuǎn)子/軸承損壞。實(shí)際上，GEFanuc公司目前的Alphai系列伺服馬達(dá)的平均故障間隔時(shí)間已超過(guò)140萬(wàn)小時(shí)，令人震驚。

　　據(jù)Webster介紹，通過(guò)IPM設(shè)計(jì)，齒隙轉(zhuǎn)矩平均已降低到額定扭矩的0.05%，這一水平略?xún)?yōu)于磁體表面安裝式設(shè)計(jì)。這款I(lǐng)PM電機(jī)的典型應(yīng)用是計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給軸傳動(dòng)，高速進(jìn)給軸的高精度是控制的關(guān)鍵。齒隙轉(zhuǎn)矩小，可提高機(jī)械精度。

　　磁表面的安裝或磁嵌入？

　　系統(tǒng)工程師LeeStephens說(shuō)：無(wú)刷伺服電機(jī)幾乎都是采用旋轉(zhuǎn)永磁體結(jié)構(gòu)——無(wú)論是在轉(zhuǎn)子表面安裝一個(gè)磁體，還是埋置磁體。他說(shuō)：“內(nèi)置永磁體結(jié)構(gòu)應(yīng)用在大功率電機(jī)上，能得到更好的幾何形狀的磁密度分布?！?/span>

　　平面永磁體的設(shè)計(jì)使轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，而預(yù)成型的磁體只需將轉(zhuǎn)子簡(jiǎn)單地圍繞在轉(zhuǎn)子周?chē)纯?，這就是電機(jī)的磁通量來(lái)源。在低功率系統(tǒng)中，SPM設(shè)計(jì)的效費(fèi)較好，尤其是對(duì)于NEMA34或更小規(guī)格的電機(jī)而言，尤其突出。相對(duì)地，IPM的設(shè)計(jì)可以使磁鐵成為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的一部分。Stephens說(shuō)：“埋入式磁鐵設(shè)計(jì)中的磁體和轉(zhuǎn)子幾乎是一回事。但是，功率和磁通量密度是一對(duì)矛盾體，兩者必須相互協(xié)調(diào)。

　　”“表面安裝型磁鐵能產(chǎn)生高速磁場(chǎng)，從而獲得高轉(zhuǎn)速電機(jī)。而且IPM設(shè)計(jì)的代價(jià)是產(chǎn)生一個(gè)由不同磁場(chǎng)產(chǎn)生的時(shí)間常數(shù)，從而能夠產(chǎn)生高磁通量密度和高轉(zhuǎn)矩。盡管產(chǎn)生磁場(chǎng)需要一定的時(shí)間，但這并不影響IPM電機(jī)的高速運(yùn)行。一般情況下，IPM電機(jī)的物理尺寸較大，但采用IPM和SPM設(shè)計(jì)的電機(jī)在尺寸和功率方面有很多重疊之處。

　　電機(jī)的成本中，稀土永磁可能占很大一部分。SPM電機(jī)設(shè)計(jì)在這方面更有優(yōu)勢(shì)，SPM電機(jī)中磁體材料的數(shù)量不斷減少，尤其是對(duì)于小型電機(jī)。Stephens評(píng)論道：“材料少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，SPM電機(jī)相對(duì)于埋入式磁鐵設(shè)計(jì)的電機(jī)有更高的效率，但成本和效率必須根據(jù)需求來(lái)衡量，通常的結(jié)果是兩者的折中。”比如IPM設(shè)計(jì)使用易于制作的平面形狀磁體，SPM設(shè)計(jì)使用的是曲線形狀的磁體。

　　斯認(rèn)為，把磁鐵裝到轉(zhuǎn)子里，可以獲得更小直徑的轉(zhuǎn)子，這也意味著轉(zhuǎn)子的慣量更小。由鼓形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式-1/2mr2(這里m是轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，r是轉(zhuǎn)子的半徑)得到的結(jié)果是，轉(zhuǎn)子的半徑減小，因此轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也減小。這種妥協(xié)是出于功率密度的考慮，對(duì)于大型電機(jī)而言，功率密度是眾多電機(jī)特性中最重要的一項(xiàng)。SPM設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)大功率電機(jī)來(lái)說(shuō)太大了，僅當(dāng)電機(jī)加速時(shí)才會(huì)消耗大量的能量。

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