用户中心

资讯 > 技术专题

内置永磁体(IPM)设计提高了无刷伺服电机的性能

作者:Frank J. Bartos,CONTROL ENGINEERING 责任编辑2006.04.08阅读 25187

  内置永磁体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www.cechina.cn,大大提高了电机的性能。
  永磁体同步电机-简称为无刷伺服电机-依靠一个旋转的磁性转子来产生有效输出扭矩所需要的磁场。通常,为了设计简单这个磁体一般安装在转子的外围。相比于其它的安装形式,这种外置磁体的方式在很多的应用场合都可以提供不错的动态性能,而且成本比较低。这就是所谓的表面永磁体(SPM)设计。

图1DanaherMotion公司采用如图1
图1:Danaher Motion 公司采用磁体埋入式转子的“Goldline”系列无刷马达,既有
中等惯量的M系列(带有惯性盘用于惯量匹配),也有低惯量的B系列(未显示)。其
它选项包括水冷设计CONTROL ENGINEERING China版权所有,用于功率超过70 hp 的型号。

  对于高性能无刷伺服电机,还有一种可行的转子设计,人们称之为内置永磁体(IPM)、内部PM、内嵌式PM或埋入式PM。不管大家怎么称呼这种结构,它实际上就是把磁体设置在转子结构的内部来提高马达的扭矩-速度性能、改善马达的其它特性。在本文中我们采用IPM来称呼它。
  IPM马达的转子形状设计以及磁体的突极结构设置的目的都是为了改进磁阻扭矩性能、提高磁通量密度。磁阻扭矩可以被利用来增加马达
的扭矩输出,但是这需要一个更为复杂的伺服放大器和控制算法。在某些合适的应用场合,马达转子突极还可以简化无传感器反馈技术的应用。
  内置磁体结构的一个明显的好处就是减小了转子的直径、降低了转动惯量。GE Fanuc 自动化(北美)公司的伺服产品经理Paul Webster指出:IPM伺服马达的高速能力以及高的加速能力是使用稀土内置磁体(例如钕-铁-硼,Nd-Fe-B)的结果。“将高磁密度磁体置入转子可以优化转子结构,使得磁通量分布能够尽量接近正弦分布,”Webster说,“由于电枢反应的作用,内嵌磁体结构的磁路饱和程度也比较低。”
  IPM设计的其它好处还包括转子的机械结构结实、平衡程度高。内置磁体不会脱落或是被损坏,这样就可以允许马达高速旋转www.cechina.cn,不必担心振动或是转子/轴承损坏,Webster解释道。“事实上,GE Fanuc目前的Alpha i系列伺服马达的平均故障间隔时间已经被提高到了惊人的一百四十万小时以上。”他说。
  根据Webster的介绍,通过IPM设计已经使平均的齿隙转矩减小到了额定扭矩的0.05%,这个水平略好于磁体表面安装式设计。这种IPM马达的一种典型应用是电脑数控机床的进给轴驱动,在这里高速进轴时的高精度是控制的关键。较低的齿隙转矩可以提高机械精度。
  磁体表面安装还是磁体埋入?
  Danaher Motion公司的系统工程师Lee Stephens指出:无刷伺服马达几乎都采用旋转永磁体结构-无论是转子表面安装磁体或是埋入式磁体。“内置永磁体结构应用于高功率马达时可以获得几何形状较好的磁密度分布。”他说。
  表面永磁体设计使得转子的结构比较简单,Stephens解释说,预先成形的磁体只需简单的围着转子被粘在外面就可以了,这就是马达的磁通量源。SPM设计的效费比较好,特别是应用于低功率系统时尤为突出,比较典型的有NEMA 34规格或是更小规格的马达。相比较而言www.cechina.cn,IPM设计可以使磁体成为转子结构的一部分。“埋入式磁体设计中磁体和转子几乎就是一个东西。”Stephens说。然而功率和磁通量密度是一对矛盾体,必须在二者之间进行折衷。
  “表面安装式磁体能够产生高速磁场,从而获得高的马达转速。而IPM设计以不同的磁场生成的时间常数为代价,可以产生出高磁通量密度和高扭矩。”他说。虽然磁力的产生需要一定的时间,但是这不会影响IPM马达的高速性能。通常来说IPM马达的物理尺寸较大,但是采用IPM和SPM设计的马达在尺寸和功率上也存在着不少重叠的地方。
  稀土永磁体可能是马达成本的主要部分。从这个方面来说SPM设计的马达比较占优,SPM马达磁体材料的数量在不断降低,特别是对小型马达而言。“较少的材料和较简单的结构使得SPM马达与埋入式磁体设计的马达相比具有较高的效费比,”Stephens评论说,“但是成本和效果必须根据要求来衡量,通常的结果是对二者进行折衷。”例如IPM设计采用制造容易的扁平形状的磁体,而SPM设计采用曲线形状的磁体。
  Stephens认同把磁体安装在转子内部的优点CONTROL ENGINEERING China版权所有,这样可以得到直径较小的转子,这也意味着转子的转动惯量比较小。根据鼓形转子的转动惯量计算公式-1/2mr2(这里的m是转子的质量,r是转子的半径),转子的半径减少了,所以转动惯量也减少了。“这个折衷是出于对功率密度的考虑,对大型马达来说功率密度是众多马达特性中比较重要的一个。”他说。对于大功率马达,SPM设计的转子转动惯量太高了,这样仅仅在加速马达的时候就需要消耗很多能量。
  弱磁控制以及新颖的马达结构
  Bosch Rexroth AG公司驱动系统产品管理部的经理S
版权声明:版权归控制工程网所有,转载请注明出处!
联系厂商

通过本站与本文涉及的厂商 科尔摩根(KOLLMORGEN)公司 联系,本站注册会员请登录后填写更便捷。 登录注册

  • 您的姓名:
  • 单位名称:
  • 联系电话:
  • 电子邮件:
  • 我想得到贵公司详细的技术资料
  • 我想得到贵公司的价格信息
  • 我想让贵公司销售人员和我联系
  • 我想让贵公司技术支持人员和我联系
其他意向:

继续阅读

频道推荐

关于我们

控制工程网 & CONTROL ENGINEERING China 全球工业控制、自动化和仪器仪表领域的先锋媒体

CE全球

联系我们

商务及广告合作
任小姐(北京)                 夏小姐(上海)
电话:010-82053688      电话:18616877918
rendongxue@cechina.cn      xiashuxian@cechina.cn
新闻投稿:王小姐

关注我们的微信

关于我们 | 网站地图 | 联系我们
© 2003-2018    经营许可编号:京ICP证120335号
公安机关备案号:110102002318  服务热线:010-82053688