永磁交流伺服电机国内外市场概况 - 黄伟忠-

永
磁
交流
伺服电机国内外市场概况
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收稿日期:2008-04-09
永磁交流伺服电机国内外市场概况
黄伟忠1
,宋春华
2
(1.西华大学,四川成都610039;2.西南交通大学,四川成都610031
摘要:以高速度和高精度为基本特征的高速加工技术及其它技术的发展,促进了伺服电机和伺服驱动器的发展。

先分析了国内外伺服电机在国内市场上所占的份额以及供求情况;然后对国内外伺服电机及其伺服控制技术的应用、发展、研究状况作了综述,并对伺服电机的发展前景提出了展望。

关键词:伺服电机;驱动器;供求;伺服控制技术
中图分类号:T M 383.4;T M 383.4+2文献标识码:A 文章编号:1004-7018(200901-0059-03
Su mmary of D o m esti c and I n terna ti ona lM arket of Per manen tM agnet AC Servo M otor
HUAN G W ei -zhong 1
,SON G Chun -hua
2
(1.Xihua University,Chengdu 610039,China;2.South west J iaot ong
University,Chengdu 610031,China
Abstract:Devel opments of rap id machining based on high s peed and high p recisi on and other technol ogy accelerated the step of servo mot or and servo driver .The share of servo mot or and the circu m stance of supp ly and de mand on domestic were first analyzed .Devel opment and app licati on as well as the research situati on of servo mot or and servo contr ol technol ogy were su mmarized .I n the end,the devel op ing p r os pect of the serv o mot or was given .
Key words:servo mot or;servo driver;supp ly and demand;servo contr ol technol ogy 0引言
1990年以前,国内伺服电机主要集中在机床和
国防军工业。

1990年以后,进口永磁交流伺服电机
系统逐步进入中国。

20世纪末,国产交流伺服电机及其全数字式伺服驱动器基本自主开发成功,但由于产业化滞后,产品的应用还需依靠进口。

2003年7家国外伺服供应商瓜分了我国83%的市场份额。

2005年机械工业信息研究院产业与市场研究所对
伺服电机的用户进行了调查。

调查表明目前我国市场上覆盖面最广的十个品牌,他们分别是西门子、三菱、安川、兰州电机、松下、F ANUC 、华中数控、
ABB 、和利时和AB 。

由于伺服电机在我国的品牌很分散,因此各类品牌的覆盖面并不是很广。

西门子和三菱在30%以上;安川、兰州电机、松下、F ANUC 、华中数控、ABB 和和利时在10%~20%之间;AB 为3.7%;
其他品牌均在3%以下[1]。

1永磁交流伺服电机的发展情况
世界上最早的电机原型就是永磁电机,只是当时永磁材料性能不良,而被电磁式电机占了主流。

铝镍钴永磁体的问世使永磁电机开始发展,但由于其价格比较高,所以铝镍钴永磁电动机应用面并不广。

20世纪80年代出现钕铁硼永磁材料,除了工
作温度和磁温度系数不及钐钴永磁体外,其他性能
都超过了钐钴,而且钕铁硼永磁体远比钐钴价格低得多。

高性能永磁体的出现和性能不断提高,引起电机行业的巨大改变。

预计各种伺服电动机,不论是直流和交流,还是步进电动机最终都将过渡到永磁电机,甚至于应用领域很广的交流异步电机也最
终要被各类型的永磁电机所代替[2]。

下面就伺服电机的发展研究现状作一综述。

1.1国外伺服电机发展情况
20世纪80年代以来,随着集成电路、电力电子
技术和交流可变速驱动技术的发展,永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展,各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机,并不断完善和更新。

德国MANNES MANN 的Rexr oth 公司的I ndra 2mat 分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出
MAC 永磁交流伺服电动机和驱动系统,这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。

到20世纪80年代中后期,各公司都已有完整的系列产品。

整个伺服装置市场都转向了交流系统。

早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足,尚不能完全满足运动控制的要求,近年来随着微处理器、新型数字信号处理器(DSP
的应用,出现了数字控制系统,控制部分可完全由软件进行的永磁交流伺服系统。

到目前为止,高性能的电伺服系统大多采用永
磁同步型交流伺服电动机,控制驱动器多采用快速、
永磁交流伺服电机国内外市场概况
60
准确定位的全数字位置伺服系统。

典型生产厂家如德国西门子、百格拉,美国科尔摩根和日本松下、三
菱及安川等公司。

下面来介绍他们的产品和规格。

1.1.1日本安川电机的交流伺服电动机
[3]
日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机,其中D 系列适用于数控机床(最高转速为1000r/m in,力矩为0.25~2.8N ・m ,R 系列适用于机器人(最高转速为
3000r/m in,力矩为0.016~0.16N ・m ,之后又推出M 、F 、S 、H 、C 、G 六个系列。

安川系列的伺服电机的最高转速可达5000r/m in,力矩0.0955~95.4N ・m ,瞬间最大转矩0.286~221N ・m ,功率范围0.03~15k W ,可以采用最高17位(32768脉冲/转的增量式或绝对式编码器。

重量最小可达0.3kg,最大可达86kg 。

20世纪90年代先后推出了新的D 系列和R 系列。

由旧系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、80C 、154CP U 和门阵列芯片控制,力矩波动由24%降低到7%,并提高了可靠性。

这样,只用了几年时间形成了八个系列(功率范围为0.05~6k W 较完整的体系,满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要。

1.1.2三菱伺服电动机(HC -KFS 、HC -MFS 、HC -SFS 、HC -RFS 和HC -UFS 系列[4]这些电机所用的速度位置检测器分辨率:131072脉冲/转,绝对、增量方式共用,17位解码器,海拔1000m 下,都用MR -J2S 系列的驱动器。

伺服电机的功率范围0.05~7.0k W ,额定转矩范围0.16~33.4N ・m ,最大转矩范围0.48~100N ・m ,重量0.4~38kg,最大电流可以达到84A ,转速最高可达4500r/m in,重量0.7~11kg 。

1.1.3德国百格拉伺服电机
[5]
德国百格拉公司生产的SER 系列,额定转矩016~10.8N ・m ,最大转矩4.0~48N ・m 。

功率0.38~2.2k W ,重量2.2kg ~13kg,DS M 伺服电机也能产生很大的扭矩,抗冲击扭矩是静扭矩的五倍。

功率从0.20~9.7k W ,静扭矩范围0.34~50N ・m ,额定扭矩0.32~42N ・m ,最大扭矩1.7~175N
・m ,重量1.0~44kg 。

1.1.4德国博世(BOSCH 生产的伺服电机
[6]
德国博世(BOSCH 公司生产铁氧体永磁的S D 系列(17个规格和稀土永磁的SE 系列(8个规格交流伺服电动机。

额定转矩为0.5~36N ・m ,转速最高可以达到
9000r/m in,保护等级I P40、I P65两种,可带抱闸。

此种伺服电机提供五种法兰尺寸,55mm ,70mm ,100mm ,140mm 和205mm 通过集成在
电机内的温度检测器提供热保护。

单圈或多圈Sin 2Cos 编码器,光轴或带键轴器。

伺服电机装有高分辨率接口绝对值编码器SinCos H i perface 单圈(128
点或多圈(128点・4096圈,保证轴的角位置精度不小于±1.3弧分。

重量
0.8~33kg,功率0.4~6k W ,供电从100~480V 不等。

1.1.5日本松下伺服电机
[7]
近年日本松下公司推出的全数字型M I N AS 系列交流伺服系统,其中永磁交流伺服电动机有MA 2MA 系列超小惯量型,功率0.1~0.75k W ,共4种规格;小惯量有MS MD 、MQMA 、MS MA 三个系列,共18种规格,功率从0.05~5k W ;中惯量型有MDMA 、MG MA 、MF MA 三个系列,功率0.75~4.5k W ,共23
种规格;大惯量有MH MA 、MHMD 两个系列,电动机的功率范围0.2~5k W ,有10种规格。

额定转矩可以0.16~42.9N ・m ,最大转矩0.48~107N ・m ,额定转速1000~6000r/m in 。

测速可用17位(分辨率1310727线制增量式编码器/绝对式,也可以用5线增量式,2500p /r (分辨率10000。

重量0.32~39.5kg,配套驱动器M I N AS
A4有A 、B 、C 、D 、E 、F 型,供电方式100V 和200V 两种系列,可实现
位置、速度和转矩控制用RS232以/RS485通讯接口,可使用7线制绝对式编码器,也可使用5线制增量式编码器。

1.1.6其它公司的伺服电机
以生产机床数控装置而闻名的日本法奴克(Fanuc 公司,在20世纪80年代中期也推出了S 系列(13个规格和L 系列(5个规格的永磁交流伺服电动机。

L 系列有较小的转动惯量和机械时间常数,适用于要求特别快速响应的位置伺服系统。

日本其
他厂商,例如:东芝精机(S M 系列、大隈铁工所(BL 系列、三洋电气(BL 系列、立石电机(S 系列等众多厂商也进入了永磁交流伺服系统的竞争行列。

德国力士乐公司(Rexr oth 的I ndra mat 分部的MAC 系列交流伺服电动机共有7个机座号92个规格。

德国西门子(Sie mens 公司的I FT5系列三相永磁交流伺服电动机分为标准型和短型两大类,共8个机座号98种规格。

据称该系列交流伺服电动机与相同输出力矩的直流伺服电动机I HU 系列相比,重量只有后者的1/2,配套的晶体管脉宽调制驱动器6SC61系列,最多可供6个轴的电动机控制。

美国著名的伺服装置生产公司Gettys 曾一度作为Gould 电子公司一个分部(Moti on Contr ol D ivi 2si on ,生产M600系列的交流伺服电动机和A600系列的伺服驱动器。

后合并到AEG,恢复了Gettys 名称,推出A700全数字化的交流伺服系统。

美国A -
永磁交流伺服电机国内外市场概况
61 B (ALLE N -BRADLEY 公司驱动分部生产1326型
铁氧体永磁交流伺服电动机和1391型交流P WM 伺服控制器。

电动机包括3个机座号共30个规格。

I .D.(I ndustrial D rives 是美国著名的科尔摩根(Koll m orgen 的工业驱动分部,曾生产BR -210、BR -310、BR -510三个系列共41个规格的无刷伺服电动机和BDS3型伺服驱动器。

自1989年起推出了全新系列设计的金线(Goldline 永磁交流伺服电动机,包括B (小惯量、M (中惯量和EB (防爆型三大类,有10、20、40、60、80五种机座号,每大类有42个规格,全部采用钕铁硼永磁材料,力矩范围为0.84~111.2N ・m ,功率范围为0.54~15.7k W 。

配套的驱动器有BDS4(模拟型、BDS5(数字型、含位置控制和S mart D rive (数字型三个系列,最大连续电流55A 。

Goldline 系列代表了当代永磁交流伺服技术最新水平。

法国A lsthom 集团在巴黎的Parvex 工厂生产LC 系列(长型和GC 系列(短型交流伺服电动机共14个规格。

原苏联为数控机床和机器人伺服控制开发了两个系列的交流伺服电动机。

其中ДBy 系列采用铁氧体永磁,有两个机座号,每个机座号有3种铁心长度,各有两种绕组数据,共12个规格,连续力矩范围为7~35N ・m 。

2ДBy 系列采用稀土永磁,6个机座号17个规格,力矩范围为0.1~170N ・m 。

韩国三星公司近年开发的全数字永磁交流伺服电动机及驱动系统,其中F AG A 交流伺服电动机系列有多种型号,功率从15W ~5k W 。

现在常采用功率比(Powerrate 这一综合指标作为伺服电动机的品质因数,衡量对比各种交直流伺服电动机和步进电动机的动态响应性能。

功率变化率表示电动机连续(额定力矩和转子转动惯量之比。

按功率变化率进行计算分析可知,永磁交流伺服电动机技术指标以美国I .D 的Goldline 系列为最佳,德国Sie mens 的I FT5系列次之。

1.2国内伺服电机的发展情况
国产伺服主要由华中数控、兰州电机、和时利电机、广州数控、南京苏强电机、深圳雷赛电机等生产厂商。

武汉华中数控自主设计开发了小功率HS V -16全数字式伺服驱动器,配套华中理工大学新型电机厂研制的STZ 系列交流永磁伺服电机,其自行开发的伺服电机已经在展会上露面。

技术目前在国内处于领先地位,但产品主要与自行开发的数控系统配套销售,产业化规模尚未形成。

兰州电机厂是我国西北地区最大的生产电机的企业,引进消化了德国西门子公司永磁交流伺服电
机制造技术,其电机产品已在机床行业形成一定规模,并还出口国际市场,但其产品主要是大功率电
机,如主轴伺服电机。

和时利(原四通伺服电机共有31个规格,功率范围:0.03~4.7k W ,额定转矩
0.095~14.32N ・m ,最大转矩0.285~42.97N ・m ,转速为1000~3000r/m in,最大相电流可以达到57.64A 。

重量0.58~15.4kg 。

该公司目前已成功完成了全系列规
格伺服电机的设计生产研制,计划不久针对整个自动化控制行业推出3k W 以内GS 系列的永磁交流伺服电机及其全数字式伺服驱动器标准产品。

该公司拥有电机和驱动的全部核心技术,从总体上说处于领先水平,尚需加大产业化力度[8]。

广州数控自主开发生产的正弦波型永磁同步伺服电动机采用高性能的稀土永磁材料。

电机具有高转矩惯量比、低速特性好、过载能力强等特点。

深圳雷赛机电生产的伺服电机有I S2000、AS2000和DS2000三个系列的伺服电机,功率范围
都是0.05~1k W 。

其中I S2000是智能式交流伺服电机,驱动器中内置智能控制器并外装小键盘和显示,能精确定位,调速,并能做到30个指令的复杂运动。

AS2000是模似式交流伺服电机,电流环模式,成本较低。

DS2000为数字式交流伺服电机,脉冲方向指令输入,与步进接口类似。

南京苏强伺服电机有60S QA 、130S QA (6个规格、110S QA (5个规格、180S QA (19个规格、S MNA110、S NMA180和130NMA5I E,功率范围0.2~4.5k W ,转矩范围0.3~50N ・m ,转速范围1500~6000r/m in 。

可能采用S N2000全数字伺服驱动器驱动,控制方式有速度,位置和转矩控制。

采用
DSP 和I P M 结合来实现控制[9]。

2发展趋势展望
永磁交流伺服电机主要技术的发展趋势是:产品向高性能、小体积方向发展;伺服电机向永磁化和无刷化方向发展;并且向伺服电机和驱动器等组合化方向发展;生产技术向集约化、柔软化、自动化方向发展;测试技术向高级化自动化发展。

国内伺服电机的设计生产技术已趋于完善,目前主要是朝标准化、系列化、规模化方向发展,只有一定规模才能有高可靠性和价格低廉而富有竞争力的产品。

但国内伺服电机的全数字驱动器技术还比较落后,主要
局限于欠缺实用的电机数字控制算法和高可靠的功率模块,这样大大限制了国产伺服电机的推广。

相信在未来几年里国内的伺服电机技术和生产将会有
很大的进步。

62
直流电动机输出功率的另一种描述及其它
张文海
(成都精密电机厂,成都610500
中图分类号:T M 33文献标识码:E
文章编号:1004-7018(200901-0062-02
1直流电动机输出功率的另一种描述方法
直流电动机是以轴上输出机械功率为运动方式的,其输出功率计算公式为:
P 2=
T H n H
9.55
(1
式中:P 2为输出功率;T H 为负载转矩;n H 为负载转速;9.55为系数,它由
60
2
π变化而来。

但是,直流电动机在做旋转运动时,它同时又是一台发电机,发电机输出功率为:P 2=E I H
(2
式中:E 为电枢反电势;I H 为负载电流。

理论上,式(1和式(2是相等的。

直流电动机无论它带哪种负载工作,在任一稳定点上,电动力产生的驱动转矩总是去平衡反电势E 产生的阻转矩。

所以电动机输出的机械功率一定等于反电势损失的电功率。

因此直流电动机的输出功率也可用发电机的方法来描述它:即直流电动机的输出功率就等于反电势损失的电功率:
P 2=E (I H -I 0(3
式中:P 2为直流电动机输出功率;E 为电枢反电势,E =U -I 0R a ;I H 为电机负载电流;I 0为电机空载电流。

这里负载电流I H -I 0是因I 0产生的空载损耗功率,它是无法输出的,故式(3才能精确和式(1相等。

而式(1中的负载转矩T H 则是
输出轴上的转矩,故不用减去内部损耗产生的阻转矩。

用发电机方法描述直流电动机的输出功率可以给直流电动机测
功带来很大方便,即只要测出一台直流电动机的电枢电阻
R a ,空载电流I 0,便可准确计算出该电机不同负载电流下的
输出功率,从而省掉了式(1中转矩、转速测试的烦琐。

转速测试也很简单,表达式如下:
n =
E
K e
(4
式中:n 为不同负载下的转速;E 为反电势,E =V -I H R a ;K e 为反电势系数,K e =
V -I H R a
n。

表1是一台小功率永磁直流微型电动机实测输出功率与式(3计算的输出功率以及转速的比数据。

该电机电压
DC28V,P 2=5W ,I H ≤0.3A,n H ≥3000r/m in 。

表1永磁直流电动机输出功率实测值与计算值比较
序号U /V R a /ΩI H /A T /(N ・m
P 2实测/W
P 2计算/W
n H 实测/(r ・m in -1
n H 计算/(r ・m in -1
K e
V ・(r ・m in -1
-1
1
27.818.20.042000358436050.0075227.818.20.0500.000560.210.22358235850.0075 327.818.20.0530.000800.290.30357535780.0075427.818.20.0630.001530.560.56354735 540.0076527.818.20.0820.00106 1.06 1.0535*******.0075627.818.20.1160.00528 1.89 1.90342034250.0077727.818.20.1670.00888 3.06
3.10329533010.0075827.818.20.2090.01193 3.98
4.00319131990.0075927.818.20.2590.01539 4.95
5.01307630780.007510
27.
8
18.
20.284
0.017
28
5.54 5.4830153017
0.0075
从表中数据可以看出,用微力矩仪实测输出功率P 2与用式(3计算出的输出功率P 2各点均近似相等,实测负载转速
n 与计算负载转速n 各点也近似相等,说明用反电势损失的电
功率来描述直流电动机的输出功率P 2是可以的,它同另一个直流电动机输出功率计算公式P 2=K e n H (I H -I 0本质是一样的,但需强调的是,一台直流电动机运行时,既是一台电动机,也是一台发电机,它的输出功率P 2,既可以用式(1的机械功
率描述它,也可用式(3的电功率描述它,但后者对测试P 2更简单。

表中的反电势系数K e 均用10组数据算出,其计算公式为K e =
u -I 0R a
n。

理论上这些反电势系数都应相等,但第4、
第6数据稍大,应是测试误差。

实践中只用第1点空载数据便可算出K e 。

下面以第10点为例进行功率与转速的计算。

u =27.8V ,
参考文献
[1]黄蕾.伺服电机需求分析[J ].电气时代,2005(8:36-37.[2]北京智道顾问有限公司.2009年微电机行业发展预测与市场
研究报告[M ].北京智道顾问有限公司,2008.
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拉,2006.
[6]德国BOS CH .德国BOS CH 伺服电机样本[R ].德国BOS CH,2007.[7]日本松下公司.日本松下伺服电机样本[R ].松下公司,2008.[8]和时利公司.和时利伺服电机样本[R ].和时利公司,2008.[9]南京苏强公司.苏强伺服电机样本[R ].南京苏强公司,2008.
作者简介:黄伟忠(1972-,男,硕士,主要从事机电控制方面的研究。