永磁无刷转矩电机.docx

永磁无刷转矩电机这种永磁同步电动机取消了附加电力传动元件，还采用了适合于高阶转矩的最先进设计, 比以往的电机更强大更有效为了适应不同的需求，各种各样配置的电动机应运而生直接驱动的永磁（PM）转矩 电机便是最常见的一种典型电机类型，具有较大的直径一长度比和数量众多的磁极对这两个 特性，实现对产生的转矩的优化这种相对的低转速电机，通常以低于每分钟1,000转的速 率运行，分为无框与全框两种形式直接驱动旋转式（DDR）无刷（同步）电机结合了这几个设计的优点，以实现各种既 定功能直接驱动就是意味着在电机和受驱动负载之间，没有任何电力传动元件实现高速运 动，这样做的好处便是没有后冲并具可以获得优良的静态或动态负载稳定度，以实现对运动 的精确控制在转子上粘有大量的永磁体，磁极成对出现，可以产生较大的转矩直接驱动 转矩电机一般体积都很大（有些模型直径超过1米），而市场上也有小型的出售目前高端市 场上，峰值超过20,000牛米（14,750磅一力一英尺）也已经挺常见了轴斫 Gon网I EnQpnwinfl H 饷曲Direct drive simplifies automation designTrantsmission etemnts{badKla曲）■ Mol chJ Mea^Liring EystefnRotary table with dlnKt drt¥«如图，这是个旋转工作台，直接驱动转矩电机技术简化机械设计，也保证了 更高的运动准确性，解决了在变速箱和驱动带上可能丢失信号的问题。

大直径，多磁极博世力士乐公司指出了 DDR转矩电动机的其他优点，如：更好的负载惯性匹配，便于 控制，低噪音干扰，简化机械设计（参见'简化设计”图）等博世力士乐公司的电力驱动控 制部的机床生产经理，Karl Rapp提到，经验证：磁极对越多，转子的直径越长，产生的转 矩越大除此以外，磁场定位的精确度、定子槽孔的配置、线圈绕制方法和气隙的设计可以 把转矩的波动降低到最小转矩的稳定度在高级的研工/磨工等应用中要求很高Rapp 说丹纳赫传动公司同样是利用大直径以及较多的磁极对数，这两个直接驱动电机的独特特 性丹纳赫传动公司的产品经营主管Tom England解释道，转矩和转子的直径成平方比， 和转子的长度成正比磁极对数越多，铜质绕组中产生的转矩更大，产生的磁性功效更高”DDR转矩电动机有两种经典模式无框架”模式包括一个环形的转子和一套定子设备， 用户需将这些装置设计到机械结构中去当然，反馈、连接器和冷却装置也是必需配备的， 像England所说的，这些都需要严密的设计和集体的努力无框架电机的薄环结构可以放入 一个大的空心管轴全框架”模式DDR电机包括一个支架，若干轴承，或一个规则轴或空心轴然而，如果机器已经有轴承，全框架电机就不会启动，因为三个（或三个以上）轴 承在同一行会导致轴承失效。

近来，丹纳赫传动开始采用不同的方法，开发第三种增强型的DDR电机模型，集两者 之精华，而去之糟粕改进后的DDR我们称之为模块化驱动旋转伺服电机（或CDDR）， 这些转矩电机保留了原有电机高磁极对数和大直径的特性，但没有轴承转子由顾客的轴 承支撑，从而，简化设计，方便装卸，不需要拆开机器就可以把电机移除England评 论说在丹纳赫传动看来，以往的DDR电机的缺陷在于应用困难，费用过高England对这 种技术做了这样的评论，“模块式DDR技术的实现已经解决了这些问题它使得直接驱动 技术可以用于简单机械，也同样适用于经典的，更高性能的伺服应用”今天，采用CDDR 技术的电机在包装业，饲养业，炼钢业，印刷业和医疗设备中都得到了一定的应用转矩密度，强有力的磁场西门子认为高转矩密度是设计转矩电动机产品的主要部分转矩的两个主要参数：转子 直径和电机长度——这些电机的物理性能西门子能源&自动化（E&A）公司自动控制及电 机控制部门伺服电动机的产品经理Ralph Baran提到电机中的这个规律：转子直径的大小直 接影响转矩的输出，两者成平方比；而长度的大小和转矩的输出大小仅仅成正比所以，转 矩电机一般采用大直径但长度较短的方式。

Baran解释说，同步电机的转矩密度大小，主要受永久性磁铁的磁力的影响西门子在 全框架式和无框架式的（内置）转矩电机中采用钕-铁-硼（Nd-Fe-B）磁铁（稀土元素制成 的磁铁被认为是最有效的，磁性最好的磁铁）影响转矩密度大小的另一个因素是设计中的磁极对数磁极对数越多，转矩密度越大， 但是，这个规则只在磁极对数较少的情况下有效Baran说，增大转矩可以通过增加磁极对 数来实现，例如当电机体积保持不变的情况下，磁极对从四对变成八对转矩明显变大，但接 下来转矩的变化会越来越小，从32对变为46对所获得的增量，远远小于从4对变成8对而获 得的增量他说，“但根据以往的经验，在对数小于30时，增加磁极对数仍然是一个改变转 矩密度大小的重要方法”虽然如此，市场上，也出现了磁极对数大于100的无框架直驱 力矩电机）Direct drive simplifies automation designEMidty (tMdkJaBh) ■伽orI MMsunnq E-ystemTraosmission eleiwnts图2：博世力士乐的IndraDyn T无框扭矩电机包括带有三相卷绕以及永磁转子的环形 定子，在每分钟60转的情况下最大输出6300牛米（4646磅一力一英尺）的连续扭矩。

低速条件下扭 矩峰值为13800牛米AutooG.net图3：西门子1FW3框架型直接驱动扭矩电机，在每分钟200转的条件下，提供最大7000 牛米的连续扭矩图4： Baum惇ler DST系列扭矩电机输出最大6130牛米的连续扭矩，提供IP54封装 以及中空轴模型（图上没有显示），扭矩峰值13500牛米 Baumuller numberg GmbH股份有限公司，在设计自己的多磁极PM同步转矩电机一一DST系列产品的时候，对于如何 在直径和长度之间建立一个最优比同样给予了极大的关注结果，（我们的电机）在一定速 度范围内可以保持一个稳定的高转矩”，Marcel M峙ler,该公司的电机产品经理说到位于瑞士的ETEL S.A.公司指出功能强大的模型和分析工具可以简化并优化现在的电 机设计最合理的电机设计通过齿状分片设计以及分片的材质选择，使磁性密度达到最大 化，同时尽可能多地放入绕组线圈，打通磁道确保转矩正常作用ETEL美国分公司的 负责人Kevin Derabasse说他提到ETEL公司一项专利技术，即提高缠绕在分片上的铜线 圈的“占空比”和其他的设计相比，它可以双倍的提高填充密度，从普通的30%提高到60%。

ETEL公司生产各种各样的f无框转矩电机控制实现根据博世力士乐提供的情况，DDR转矩电动机受控方式与其他无刷电机非常相似，但 需要一定的特殊条件为了获取较高的静态/动态稳定度必须尽可能快的关闭控制回路（电 流、速度和位置）智能伺服电机能够迅速关闭所有内部回路（一般响应时间为0.25ms） Rapp解释说，“因为“驱动+转矩电动机”的组合不仅仅直接给工件提供了转矩，同时它也直 接影响着准确性和操作的平稳性”如上所述，在精工行业，转矩的平稳性就显得特别重要为了得到较高的刚性，采用更好的驱动放大器控制带宽是必须的过高的动力会产生 机械谐波，而产生的机械谐波必须通过设定滤波器的参数，用放大器消除同时不影响电机正 常运作”，Rapp提醒我们说反馈装置的选择也是至关重要的当智能驱动速度变化时， 最好是成一条正弦反馈曲线由于会影响性能，方波和矩阵反馈波都是必须尽力避免的”，Rapp 说运行一个无刷PM电机，电交换（或磁极转换）是必要的对于DDR转矩电动机来说， 这种交换并不只是一个简单的过程，空心轴反馈系统增长的几率远远大于稳定的情况，因此 在每一次控制力增大的时候都需要驱动放大器来实现自动交换的补偿。

在磁极对数较高的 情况下，磁极之间的距离变得非常小，这个过程也就变得更加复杂化”Rapp说智能驱动器， 像博世力士乐的IndraDrive，可以提供多种交换方式其中饱和方法是首选，他解释道， 因为它可以在不进行任何物理移动的情况下运行西门子E&A的Baran提到，“从物理角度上说，转矩电动机和其他的无刷PM电机一样， 具有相同的控制特性不过，转矩电机在驱动线上消除了后冲力（损耗）以及机械设备„缺 陷'等物理元件的产生的不良影响因而增强了驱动的机械稳定性Baran解释说，对控制器而言，这意味着它可能不需要过冲就可以更快的改变速度这 样就可以进行快速的加速/减速，也可以更加精确的进行位置定位和路径控制他说，“有关 经验显示，和常规的电机加传动箱的组合相比，直接驱动的电机设计方案，可以使机械动态 性能有提咼10倍由于没有了齿轮箱和其他机械传动设备，Baum惇ler的直接驱动式DST电机不会产生 任何后冲现象，提高控制效率M峙ler解释说，这个特点，让我们在判断相关过程的性能 好坏的时候，可以通过电机的转矩和速度来评判运行参数发生变化，例如在润滑剂黏度上 的变化，通过相应的控制器软件反应出来可以达到更好的系统控制和产品质量控制效果。

通 常，直接驱动也同样改善了整个系统的效率，达到节能省耗的效果'，M峙ler补充道ETEL建议说，对转矩电机的控制来说，高阻尼伺服环路是非常重要的在迅速减速的过程 中，电机利用驱动回收再生能量这主要是由于采用直驱设计，该设计不仅能够控制受驱负 载共振情况，而且还能直接捕捉负载的反应惯性在紧急停机的情况下，电机可以快速转变 成一台发电机，产生大量的再生能源，这些能源可以直接供给驱动，也可以通过适当的控制 补偿电源，Derabasse说至关重要的冷却过程高转矩的输出会造成电机的线圈发热，为了避免损坏电机，必须解决这个问题冷却 可以最大程度的减少热膨胀造成的问题，特别是对电机的定子部分Rapp说，“这种热膨 胀会影响电机的精确度（在机械设备内部产生的热量），也有可能会对电机的底座造成挤压 和损伤”由于电机是联合式的机器结构，当装备定子时，OEM必须解决不同材料受热膨 胀程度不同的问题，以避免定子损坏博世力士乐引用了一个极端的例子，一个OEM的设 计，将定子一部分插入机械的槽孔中在没有配备液态冷却系统情况下，使用一段时间后， 裸露在外的部分受热膨胀，造成线圈撕裂冷却方法和容量的选择，如通过液体、强迫通风或者对流等主要取决于消耗功率或是 工作回路，同时还要考虑到热量增长的情况”，Rapp补充说。

西门子也注意在增加转矩密度时冷却的重要性无刷PM电机的热量损耗大多数发生在 定子的线圈上，这是因为在转子上没有磁化电流，不会产生热损耗水冷法是一种高效的冷 却方式，能够降低热损耗带来的影响冷水在紧贴定子线圈的冷水管道流动，带走热量， Baran说试验证明，和使用自然气冷的电机相比，如果设计中优先选择水冷，产生的转矩可以增加30%”，他说图5：丹纳赫传动的Cartridge DDR扭矩电机，可以提供位置反馈以及附在用户手 柄上的压缩联结尽管只有14in的体积，电机拥有46个磁极，能够输出500Nm的连续扭矩根据ETEL所说，转矩电动机实际功率输出受到两方面的限制，线圈中I2R的功率损耗， 以及定子叠片间的涡流损耗磁极对数越大，涡流损耗越大）如果产生的热量不能被有效 的释放，线圈温度的上升最终将导致绝缘层击穿，导致转子过热另外，这些热量也会引起 磁铁的退磁现象，Derabasse解释道紧靠定子线圈采用水冷法能够最大程度地降低热损 耗这种方法不但经。