第三章 无刷永磁伺服电动机

a）永磁体径向充磁
b）永磁体横向充磁
图3-3 内置式转子结构
3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构
嵌入式和内置式的特点：交、直轴磁路磁阻是不相等的。 内置式转子的交、直轴磁路如图3-4所示。直轴磁路磁阻大 于交轴磁路磁阻，因此内置式和嵌入式转子结构的无刷永 磁伺服电动机属于凸极同步电动机。
注意：电励磁凸极同步
第3章 无刷永磁伺服电动机
3.1 概述 3.2 无刷直流电动机 3.3 正弦波永磁同步电动机及其矢量控制伺服
驱动系统 3.4 无刷永磁伺服电动机与三相感应伺服电动
机的比较
3.1 概述
3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构 3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成 3.1.3 无刷永磁伺服电动机的分类
在体积和功率较小的无刷永磁伺服电动机中，也可以采 用圆环形永磁体，如图3-1b）所示，永磁体为一整体的圆 环，该结构的转子制造工艺性较好。
a）永磁体为瓦片形
b）永磁体为圆环形
图3-1 表面式转子结构
3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构
嵌入式转子：结构如图3-2所示，永磁体嵌装 在转子铁心表面的槽中。
转子结构是无刷永磁伺服电动机与其它电机最主要的区别， 对其运行性能、控制系统、制造工艺和适用场合等均具有重 要影响。按照永磁体在转子上位置的不同，无刷永磁伺服电 动机的转子结构一般可分为表面式（凸装式）、嵌入式和内 置式三种基本形式。
3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构
表面式转子：典型结构如图3-1a）所示，永磁体通常呈 瓦片形，通过环氧树脂直接粘贴在转子铁心表面上。
3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成
➢ 同步电动机变频调速系统的基本类型
根据变频电源频率控制方式的不同，同步电动机变频调 速系统可以分为他控变频和自控变频两大类。
他控变频：用独立的变频装置给同步电动机供电，通过 直接改变变频装置的输出频率调节电动机的转速，是一种 频率开环控制方式。
自控变频：所用的变频电源是非独立的，变频装置输出 电流（电压）的频率和相位受反映转子磁极空间位置的转 子位置信号控制，是一种定子绕组供电电源的频率和相位 自动跟踪转子磁极空间位置的闭环控制方式。由于电动机 输入电流的频率始终和转子的转速保持同步，采用自控变 频方式的同步电动机不会产生振荡和失步现象，故也称为 自同步电动机系统。
由恒频电源供电的永磁同步电动机仅适用于在要求恒速 运转的场合作为驱动电机使用。为了解决电动机的起动问 题，其转子上需装设笼型起动绕组（阻尼绕组），利用笼 型绕组感应产生的异步转矩将电动机加速到接近同步速， 然后由永磁体产生的同步转矩将转子牵入同步。
对于伺服电动机而言，一个基本要求是其转速能在宽广 的范围内连续调节，因此无刷永磁伺服电动机通常由变频 电源供电，采用变频调速技术实现转速调节。变频电源供 电的永磁同步伺服电动机，由于供电电源频率可以由低频 逐渐升高，可以直接利用同步转矩使电动机起动，故转子 上一般不设阻尼绕组。
对于高速运行的伺服电动机， 采用表面式或嵌入式时，为了 防止离心力的破坏，常需在其 外表面再套一非磁性金属套筒 或包以无纬玻璃丝带作为保护 层。
图3-2 嵌入式转子结构
3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构
内置式转子：永磁体不是装在转子表面上，而是位于转 子铁心内部，可能的几何形状有多种，图3-3给出了两种典 型结构。图3-3a）所示转子结构中永磁体为径向充磁，在 图3-3b）所示转子结构中永磁体为横向充磁。
图中的逆变器通常为由电力MOSFET、IGBT等全控 型器件构成，并采用脉宽调制技术的PWM逆变器，可 以直接将输入的不可调直流电压变成频率和大小均可调 的变频、变压交流电输出。在输入为交流电源的场合， 可由整流器将交流电整流，并经电容滤波后，作为直流 电源提供给逆变器，此时整流器和逆变器结合起来构成 了一台交-直-交变频器。
3.1.1 无刷永磁伺服电动机的基本结构
无刷永磁伺服电动机也称为交流永磁伺服电动机，通常是 指由永磁电动机和相应驱动、控制系统组成的无刷永磁电动 机伺服系统，其本质上是一种自控变频同步电动机系统，有 时也仅指永磁电动机本体。无刷永磁伺服电动机就电动机本 体而言是一种采用永磁体励磁的多相同步电动机，定子结构 与普通同步电动机或感应电动机基本相同，转子方面则由永 磁体取代了电励磁同步电动机的转子励磁绕组 。 ➢ 转子结构的三种基本形式 ：
3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成
➢ 无刷永磁电动机伺服系统的组成
由于他控变频的同步电动机存在振荡和失步等问题，因 此无刷永磁伺服电动机通常采用自控变频方式，所构成的 无刷永磁电动机伺服系统如图3-5所示。
组成：主要由永磁 同步电动机MS、转子 位置检测器BQ、逆变 器和控制器4个部分组 成。
图3-5 无刷永磁电动机伺服系统的组成
3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成
基本工作原理： 由转子位置检测器产生转子磁极的空间 位置信号，并将其提供给控制器；控制器根据来自外部 （如上位机等）的控制信号和来自位置检测器的转子位置 信号，产生逆变器中各功率开关器件的通断信号；由逆变 器将输入直流电压转换成具有相应频率和相位的交流电流 和电压，供给伺服电动机。
电动机中直轴磁路磁阻小
于交轴磁路，因此直轴同
步电抗Xd（电感Ld）大于 交轴同步电抗Xq（电感 Lq），而永磁同步电动机 中正好相反，其交、直轴
绕组电感的关系是LqLd。
a）直轴磁通路径
b）交轴磁通路径
图3-4 内置式无刷永磁伺服电动 机的交、直轴磁路
3.1.2 无刷永磁电动机伺服系统的组成
➢ 无刷永磁伺服电动机通常由变频电源供电
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3.1.3 无刷永磁伺服电动机的分类
➢ 无刷永磁伺服电动机的分类
无刷直流电动机（BLDCM——Brushless DC Motor）： 定子绕组中的感应电动势应为梯形波，定子绕组中应通入 方波电流，因此无刷直流电动机也称为梯形波永磁同步电 动机或方波永磁同步电动机。
正弦波永磁同步电动机：简称永磁同步电动机 （PMSM ——Permanent Magnet Synchronous Motor）。定 子绕组感应电动势为正弦波，为了产生恒定转矩，定子绕 组应通入正弦波电流。