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内置的永磁大幅度提高了伺服电机的性能

发布者: admin  时间:2021/3/30 10:30:25

  内置式永磁同步电机通过改进转子设计,提高了磁通量密度,实现了高转速下的高扭矩,使电机性能得到显著改善。


  永磁同步电机,简称无刷伺服电机,是利用旋转的磁转子,产生所需的磁场,以产生有效的输出扭矩。一般情况下,为了设计简单,通常将磁铁安装在转子周围。与其他安装方式相比,这种外置式磁体安装方式在许多应用场合都能提供良好的动态性能,且成本较低。它被称为表面永磁体(SPM)设计。





  系列无刷式电机,采用磁铁埋式转子。


  中惯量M系列(使用惯性盘进行惯量匹配)和低惯量B系列(未显示)。它。


  该设备的选择包括70hp以上型号的水冷设计。


  此外,在高性能无刷伺服电机方面,还可以采用内置永磁电机(IPM)、内嵌式永磁电机、内嵌式永磁电机和埋入式永磁电机等多种方案。无论人们称之为什么结构,它实际上都是将磁铁安装在转子结构的内部,以提高电机的扭矩-速度性能,改善电机的其他特性。本论文采用IPM技术对其进行命名。


  其电机转子形状的设计和磁铁突极结构的设置,都是为了改善磁阻力矩特性,提高磁通密度。磁电阻转矩可用于增加电机输出转矩,但这需要更复杂的伺服放大器和控制算法。该方法也可在适当的应用场合简化转子突极无传感器反馈技术的应用。


  内磁结构有一个显著的优点,那就是减小转子直径,减小转动惯量。北美GEFanuc自动化公司的伺服产品经理PaulWebster指出:IPM伺服马达的高速性能和高加速性能是使用内置稀土磁体(如钕铁硼、Nd-Fe-B)的结果。Webster说:“在转子中放置高磁密度的磁体可以优化转子的结构,使通量分布尽可能接近正弦分布,而且由于电枢反应的作用,嵌入磁体结构的磁路饱和度也较低●!


  IPM设计的其他优点包括转子的机械结构坚固,平衡度高。Webster解释说,内置的磁铁不会脱落或损坏,这使得电机可以高速转动而不用担心振动或转子/轴承损坏。实际上,GEFanuc公司目前的Alphai系列伺服马达的平均故障间隔时间已超过140万小时,令人震惊。


  据Webster介绍,通过IPM设计,齿隙转矩平均已降低到额定扭矩的0.05%,这一水平略优于磁体表面安装式设计。这款IPM电机的典型应用是计算机数控机床的进给轴传动,高速进给轴的高精度是控制的关键。齿隙转矩小,可提高机械精度。


  磁表面的安装或磁嵌入?


  系统工程师LeeStephens说:无刷伺服电机几乎都是采用旋转永磁体结构——无论是在转子表面安装一个磁体,还是埋置磁体。他说:“内置永磁体结构应用在大功率电机上,能得到更好的几何形状的磁密度分布●!


  平面永磁体的设计使转子的结构更加简单,而预成型的磁体只需将转子简单地围绕在转子周围即可,这就是电机的磁通量来源。在低功率系统中,SPM设计的效费较好,尤其是对于NEMA34或更小规格的电机而言,尤其突出。相对地,IPM的设计可以使磁铁成为转子结构的一部分。Stephens说:“埋入式磁铁设计中的磁体和转子几乎是一回事。但是,功率和磁通量密度是一对矛盾体,两者必须相互协调。


  ”“表面安装型磁铁能产生高速磁场,从而获得高转速电机。而且IPM设计的代价是产生一个由不同磁场产生的时间常数,从而能够产生高磁通量密度和高转矩。尽管产生磁场需要一定的时间,但这并不影响IPM电机的高速运行。一般情况下,IPM电机的物理尺寸较大,但采用IPM和SPM设计的电机在尺寸和功率方面有很多重叠之处。


  电机的成本中,稀土永磁可能占很大一部分。SPM电机设计在这方面更有优势,SPM电机中磁体材料的数量不断减少,尤其是对于小型电机。Stephens评论道:“材料少,结构简单,SPM电机相对于埋入式磁铁设计的电机有更高的效率,但成本和效率必须根据需求来衡量,通常的结果是两者的折中●!北热鏘PM设计使用易于制作的平面形状磁体,SPM设计使用的是曲线形状的磁体。


  斯认为,把磁铁装到转子里,可以获得更小直径的转子,这也意味着转子的惯量更小。由鼓形转子转动惯量计算公式-1/2mr2(这里m是转子的质量,r是转子的半径)得到的结果是,转子的半径减小,因此转动惯量也减小。这种妥协是出于功率密度的考虑,对于大型电机而言,功率密度是众多电机特性中最重要的一项。SPM设计的转子转动惯量对大功率电机来说太大了,仅当电机加速时才会消耗大量的能量。


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