永磁交流伺服电动机的设计特点
莫会成（西安微电机研究所）
【摘 要】探讨了两种不同运行原理永磁交流伺服电动机的设计特点，指出磁路计算与传统电机的不同之处；分析了电机的反电势常数和力矩常数，并给出了计算公式；讨论了绕组连接方式、反电势以及电阻、电感和电气时间常数等参数对电机性能的影响；并对其独特的磁场和脉宽调制端电压可能引起的损耗和发热进行了初步的分析。
【叙 词】 伺服电动机永磁电动机交流电动机设计特点参数
l 引 言
永磁交流伺服电动机根据其工作原理的不同可分为二类,一类为正弦波驱动，另一类为方波驱动。二者由于运行原理上的不同，因而在磁场、反电势、电机性能方面都有许多不同之处，因而在设计时不能采用相同的计算方法。本文仅就这两类运行原理的永磁交流伺服电动机的设计特点作一分析。
2磁路的设计特点
最常见的永磁交流伺服电动机截面图如图1所示。
电机极数为2极，定子铁心上嵌有三相对称的电枢绕组，转子部分由转轴、转子导磁体和永磁体等部分组成。转子导磁体套在转轴上，其外表面粘接瓦形永磁体，产生气隙磁场。永磁体一般采用铗氧体和稀土永磁材料，近年出现了第三代稀土永磁材料nd -fe -b，在永磁体的外表面有一加固层。为了减少惯量，有时在转子导磁体上钻上若干孔，以减少其有效质量。从截面图上看，这类电机的磁路与传统电机相比没什么特殊之处，但具有如下特点。
a．极弧系数的选取，一般电机均选取为0. 67左右。永磁交流伺服电动机则不同，通过分析计算可知，方波驱动时，需先取极弧系数越大越好，尽可能接近于1，且希望永磁体沿径向磁化[2,3]；而正弦波驱动时要将极弧系数选在0. 8～0. 85的范围内较为合适[4]。
b．电机磁场变化，电枢反应的影响，都将对电机性能，尤其是力矩波动有较大的影响。因而为减少磁场的变化及电枢反应的影响，在设计时电机的齿磁密不宜取得过高，磁路不宜过于饱和。
c．由于二者磁场波形不同，所以气隙磁通的计算也有所区别。方波驱动时气隙磁通可用下式计算：
正弦波驱动时有：
式中φ—方波驱动时的气隙总磁通
bδ——气隙磁通密度
t——电机极距
lef——电机铁心有效长度
αp——计算极弧系数
φ1-正弦波驱动时基波磁通
方波驱动时起作用的是永磁体产生的总的气隙磁通，而正弦波驱动时则只有基波磁通能产生有用的转矩。所以在电机尺寸不变的情况下，通过加大极弧系数αp，方波驱动的电动机比正弦波驱动的伺服电动机出力大。
d．采用图1所示的转子结构后，尽管实际的气隙8不是很大，但由于永磁体，尤其是稀土永磁材料的相对磁导率很低，接近予空气，所以有效的气隙可认为：
hm为磁钢厚度。电枢反应的影响大大减少，在磁场工作点的计算时可只考虑空载的情况，负载的影响可忽略不计。在计算其它有关参数如磁导时，则应按等效气隙a，考虑。
3反电势常数ke和力矩常数kt
这两个常数是电机设计的具体技术要求所决定的，是伺服电动机最基本的参数，与电机的绕组和具体结构有关。二者有一定的内在联系。一般认为，在国际单位制中伺服电动机的反电势常数和力矩常数相等，但永磁交流伺服电动机却不尽然。
方波驱动时，由分析可知，电机的相反电势波形为梯形波，如囹2a |
