永磁同步电机在高速电主轴系统中的应用

永磁同步电主轴技术与应用

摘要：

伴随着高速高效高精加工技术的飞速发展，高端数控机床针对电主轴的技术需求深度和广度都不断拓展。特别是近几年来，基于永磁同步电机的电主轴技术与产品得到了快速的发展和广泛的应用。本文结合笔者在电主轴技术研究和产品开发过程中所涉及的关键技术问题，尤其是永磁同步电机在高速电主轴系统中的应用问题进行了广泛深入的探讨，希望以此对国内永磁同步电主轴产品技术开发与推广应用有所促进。

一、引言

高速高精高效加工，是数控机床永恒的追求目标和发展趋势。高效率需要高速度，在航空零件加工中尤为突出。飞机机身结构件的典型零件有梁、筋、肋板、框、壁板、接头、滑轨等类零件。且以扁平件、细长件、多腔件和超薄壁隔框结构件为主。毛坯为板材、锻件和铝合金挤压型材，90％以上为铝合金件。材料利用率仅为5％-10％左右，原材料去除量非常大大（1）。材料去除量大，在粗加工阶段，需要主轴具备足够的转矩输出能力，满足大吃刀切削。整理结构，多腔超博，又需要用小刀具清根，修光。小刀具则需要主轴有足够高的转速，以满足刀具的切削速度需求。因此，航空铝合金零件的加工就需要机床主轴不但具备低速大转矩输出，同时又能在小刀具加工时具备足够高（20000rpm以上）的工作转速。

在磨具加工行业，近年来大量使用的高速雕铣机，在高速电主轴的助推下，利用小刀具的微刀痕特点，大大提高了各种材质模具制造的精度和速度。随着雕铣机床的进一步发展，雕铣机也逐渐进入零件加工领域，因此对主轴的低速输出转矩也提出较高的要求。

平板电脑、苹果手机等高端电子消费品的快速发展，是当今时代最大的亮点之一。这类日用电子消费品，更新速度之快，不但让人眼花缭乱，而且使数控钻攻中心机得以急速发展。这类机床除了具备现代数控机床的基本特征外，必须具备在6000rpm以上高速刚性攻丝的能力。

综合上述三个典型的行业需求，需要数控机床电主轴同时具备三种特点，低速大转矩输出、20000rpm以上的工作转速、可以高速刚性攻丝。永磁同步电主轴则是同时具备这三个特征的最佳电主轴产品。本文就是通过对永磁同步电主轴基本结构，关键技术，以及在不同机床领域里的应用介绍，希望大家对永磁同步电主轴能有比较全面的认识和借鉴。

二、永磁同步电主轴的基本结构及其特点

永磁同步电主轴与传统电主轴的最大区别是采用了稀土永磁同步电机作为主轴的驱动动力源，除此之外，基本结构与异步电机驱动的电主轴结构基本相同。图1为典型的雕铣机用异步电主轴结构，图2为典型的雕铣机用永磁同步电主轴结构。两者结构上最大的区别是图1中的9为感应式鼠笼转子，图2中的16为稀土永磁转子。另外，图2中的20为编码器，是为了较高的速度控制精度而增加的速度和位置反馈元件。

图1、典型的雕铣机用异步电主轴

图2、典型的雕铣机用永磁同步电主轴

结构上的区别是由于两者电机工作原理的不同所致，其本质的区别是电主轴外特性的巨大差异。异步电主轴由于采用感应式转子，同等转矩输出比永磁同步电机体积大三分之一；由于转子中有感应电流通过，转子铜损严重，会引起转子较大的发热，从而影响主轴的加工精度。其优点是可以在开环驱动下工作，多数场合不需要编码器；可以获得较高的工作转速。其缺点是低速（几千rpm以下）转矩小，甚至无法正常带载；相同体积下的转矩密度较低；由于动态响应速度慢，无法实现快速正反转切换，要实现高速刚性攻丝非常困难。

相对于异步电主轴的诸多不足，永磁同步电主轴具有体积小，转矩密度高，低速大转矩输出，转子发热小等优势，尤其是较高的动态响应速度，很容易实现较高的稳速精度和快速正反转切换，特别适合高速刚性攻丝。但永磁同步电机也有其不足，就是高速运行时需要很好的弱磁扩速控制策略，高速范围不如异步电主轴宽；高精度的控制则需要性能较高的驱动技术支持。稀土磁钢和高性能驱动器的应用则导致永磁同步电主轴的成本远远高于异步电主轴。

上述仅仅是雕铣机用电主轴的基本结构及特点，根据不同机床的具体需求，加工中心用电主轴，车削用电主轴，磨削用电主轴都在此基础上有不同的变化。本文在永磁同步电主轴具体应用介绍中会进一步说明。

三、永磁同步电主轴的关键技术

永磁同步电主轴是各种技术和元件综合应用的新产品，所涉及的技术和领域较多，本文主要从电机、轴承、动平衡、润滑、冷却和控制几个方面加以说明。

1、电机技术

电机技术是永磁同步电主轴的核心，正是因为有了永磁同步电机的应用，才使得电主轴具有低速大转矩、高速范围宽、快速正反转切换等突出优点。众所周知，稀土永磁电机的先天优势是低速大转矩输出，这与电主轴所要求的宽调速范围是矛盾的，如何兼顾低速转矩和较高的工作转速是客服这一矛盾的关键。需要根据不同的应用场合，结合速度优化和转矩优化（2电机技术优化），实现较佳的组合和妥协。只有从基本的磁路设计入手，选择合适的磁钢性能，结合弱磁扩速等先进的控制策略，才能达到较为合理的电机性能指标。

图3、40000rpm永磁同步电主轴基本结构

图4、最高转速40000rpm永磁同步电主轴功率及转矩特性曲线

2、轴承选择

轴承是高速电主轴最基本的核心元件之一，也是影响电主轴实际性能的关键因素之一。轴承的选择依据是dmn值，常用的有陶瓷珠角接触球轴承，液体动静压轴承和气浮轴承（3熊万里的轴承现状分析）。最高转速在60000rpm以下，常应选用陶瓷珠角接触球轴承，比如大多数数控机床用电主轴；在刚度和精度要求较高的情况下，选择液体动静压轴承，比如高端磨削电主轴；在刚度要求不高，转速60000rpm以上，一般选择气浮轴承，比如PCB板钻孔用电主轴。

角接触球轴承是电主轴的易损件，是电主轴寿命最短的核心部件，必须考虑正常的更换和维修，以便延长电主轴的工作寿命。作为永磁同步电主轴在结构设计和生产安装，以及维修更换过程中必须严格禁止轴承被永磁体磁化。延长轴承寿命的关键是做好润滑和散热。

3、动平衡校正

动平衡校正是确保电主轴品质的关键，电主轴转子的动平衡质量会以二次方的关系影响主轴的动态性能（4沈玮浅谈电主轴技术及其应用）。高速电主轴必须做到G0.4以上的动平衡精度，常用的动平衡机直接对电主轴转子进行动平衡校正，由于驱动转子转动的速度有限（一般在4000rpm以下），很难达到较高的动平衡精度。必须在电主轴装配完成后，整机做二次，甚至三次在线动平衡校正。值得一提的是永磁电机由于转子带有强力稀土永磁磁钢，在动平衡机的选择上一定要注意到这一特点。避免动平衡机由于永磁体的磁场干扰而影响平衡效果。4、润滑方式

轴承润滑，尤其是对角接触球轴承的润滑，滚珠表面的油膜寿命就是轴承的寿命。没有形成良好的油膜，轴承一旦高速运行，立即会造成表面烧伤而报废。所以，润滑不仅仅是方式的选择，关键是如何按最佳的磨合工艺形成良好的油膜。比较常用的润滑方式是油脂润滑，适合最高转速在24000rpm以下的小尺寸电主轴；油气润滑适合20000rpm以上的电主轴。油气润滑效果好，但结构复杂，成本高。油脂润滑相对简单，但寿命较短。

5、冷却方式

作为高速动力源，电主轴中的电机会因为铜损、鉄损、涡流等发热，轴承会因为高速旋转的摩擦等因素发热，数控机床加工过程中刀具的发热也会传递到电主轴内部。而且这些发热源，是客观实际存在的，无法消除，很难减弱。所以，

冷却必不可少。实践证明，冷却的方式和效果直接影响到电主轴的品质和寿命。事实上，冷却的关键是温度分布的均匀性，如何有效地控制温差变化是冷却的关键（5周京芳高速电主轴在线温升及轴向热伸长测试系统的设计）。

6、控制策略

永磁同步电主轴具体应用中，上述各项关键技术的实施是必要条件，缺一不可。但若想让永磁同步电主轴达到较佳的动态性能指标，控制策略则是不可或缺的充分条件。没有好的控制策略，或者说，没有具备完善控制策略的驱动器，永磁同步电主轴根本无法实现其优越的动态性能输出。

永磁同步电主轴所采用的永磁电机结构与普通伺服电机基本相同，甚至有些场合连反馈用的编码器都是一样的，唯一的重大区别就是控制策略不同。一般伺服电机采用Id=0（直轴电流Id为零，可以是交轴电流Iq最大化），充分发挥稀土永磁电机的低速大转矩特性，使电机在额定转速以下保持良好的恒转矩特性。这样的控制策略，导致电机的调速范围很窄。这就是伺服电机无法满足主轴电机，以及电主轴的主要因素。永磁同步电主轴不但需要有较高的低速输出转矩，同时还要兼顾宽调速范围，要能在高速下长期带载运行。所以，必须采取弱磁扩速控制策略。所谓弱磁扩速，就是当电机反电动势达到驱动器所能接受的上限附近时，必须通过电枢使Id为负值，用来减弱永磁体产生的磁场，使反电动势电压维持在给定值以下。电枢的总电流In维持不变，In2=Id2+Iq2。随着Id的绝对值增加，Iq相应减小，电机的输出转矩逐渐下降。由于Id负向增加使反电动势不再增加，电机的转速就随之上升。使电机进入恒功率调速阶段。一般用额定转速与最高转速的比值来表示电主轴的调速范围。按此指标，普通的伺服电机调速范围不超过1:1.2。一般的电主轴为1:2，或1:4。较宽的调速范围可达1:6以上。由于异步电电主轴为感应电机，转子励磁靠电枢实现，所以调速范围优于永磁同步电主轴。

除了弱磁控制策略以外，永磁同步电主轴驱动器还必须克服另外两个关键技术，其一是高频输出，其二是编码器解算。

高频输出是指驱动器输出给电机的工作频率较高，由于受到机械结构和磁路分布的限制，一般永磁同步电主轴都采用4极电机磁路，如果要达到40000rpm 转速，电机最高工作频率fn=1333.33Hz，要控制如此高的工作频率，驱动器必须具备很高的计算速度，如果控制算法不合理，很难实现良好的控制精度。

编码器解算是指电主轴，特别是加工中心用永磁同步电主轴，很多场合下都需要具备C轴功能，也就是说，要参与插补运算，那么主轴的控制精度要与伺服驱动坐标匹配，就需要反馈编码器具备很高的分辨率。但是，在主轴高速运转时，如果编码器的分辨率过高，很容易超出基本的控制带宽，使驱动器无法辨认。这一矛盾就必须由编码器和驱动器配合克服。

四、具体应用介绍

1、加工中心类

加工中心类机床用电主轴最为显著的特点是主轴内部必须安置松拉刀机构，这就使轴的内部结构比较复杂，不但加工制造难度大，而且会直接影响到轴的机

械刚度。但是由于加工中心类机床功能强大，加工范围光，适应性强，特别适合采用电主轴结构。欧美日等发达国家，电主轴的应用首先，而且大量在加工中心类机床上推广应用。国内异步电主轴成功应用的案例也很多，永磁同步电主轴在加工中心中的应用也得到逐步发展。图示为一台三坐标加工中心用的永磁同步电主轴内部结构，外形照片和配套的机床照片。

2、雕铣机类

雕铣机是国内应用电主轴最早，也最多的一类机床。目前国内异步电主轴大约年产十几万台，用在各种雕铣机床上。随着iPhone手机等日用电子消费品采用直接加工制作工艺，雕铣机逐渐从模具加工向零件加工拓展。能够低速重载，高速运行的永磁同步电主轴在雕铣机中的应用会越来月光。图示为背景精雕生产配置永磁同步电主轴的雕铣机。

3、钻攻中心机

钻攻中心机是一种小型加工中心，特别适合于小型复杂零件的大批量生产，其最突出的优势是刚性攻丝功能。据介绍FANUC的钻攻中心机床可以实现在每分钟上万转速度下直接刚性攻丝，这就大大提高了流水线加工的生产效率。能有如此高的攻丝速度，主要得益于电主轴，以及驱动器与CNC系统的密切配合。日前，国产永磁同步电主轴已经在珠海某机床厂，实现8000rpm速度下的刚性攻丝能力。

4、磨削

电主轴的出现，主要是因为轴承加工行业，内圆磨削的需要。因为内圆磨削。砂轮直径小，要达到一定的磨削线速度，主轴转速必须足够高。异步电主轴在磨削领域，已经成功应用了很长时间，但由于其带载特性较差，很难实现大吃刀强力磨削。为了提高磨削效率，机床厂家不断提升异步电主轴的功率。就是这样，也无法避免带载就掉速的问题，永磁同步电主轴由于电机特性硬，闭环响应速度快，主轴吃刀带载几乎不调速，对磨削效率和质量都有非常明显的促进。图示为轴承专用磨床，以及其配置的永磁同步电主轴照片。

5、车削

车削电主轴需要较大的空心轴结构，一般转在3000~8000rpm之间，转矩相对较大。特别适合永磁同步电主轴，但由于大中空编码器太贵，导致车削电主轴在国内发展相对较慢。根据这两年机床博览会的情况来看，车削电主轴在未来两年可能会有突破性的进展。由于车床占整个机床的份额很大，一旦车床大量使用永磁同步电主轴，必然会给电主轴事业的发展带来革命性的突破。图示为车削电主轴的结构图纸和主轴实物照片。

6、摆轴

7、木工及其他加工

木板、石材、玻璃、胶木等非金属板材加工行业，其加工精度相对金属加工来说普遍偏低，以前数控加工的基础很薄弱。随着，人工成本的高速增长，近年来木工机械行业发展迅速，大量采用数控机床。与之配套的电主轴也得以快速发展。西安英威腾合升动力科技有限公司生产的永磁同步木工电主轴，在楼梯专用木工机床上已经批量应用，使得生产效率大幅提升。原来人工下料作业，两个木工需要7天才能生产一副楼梯；改用数控机床配异步电主轴，一天可以生产一副楼梯；改用永磁同步电主轴后，由于电主轴可以强力重载加工，工作转速12000rpm ，吃刀深度50mm ，走到速度1.2m/min ，一天可生产8副楼梯。图示为配置永磁同步电主轴的木工机床照片。

五、 总结

本文通过对永磁同步电主轴的结构特点的简单介绍，着重分析了永磁同步电主轴所涉及的各项关键技术，并对个关键技术的发展现状和开发生产过程中需要注意的核心问题，进行了综合分析。最后，对永磁同步电主轴在国内各种机床中的应用实例进行了梳理和

交流永磁同步电机结构与工作原理

交流永磁同步电机结构与工作原理 2。1。1交流永磁同步电机得结构 永磁同步电机得种类繁多,按照定子绕组感应电动势得波形得不同,可以分为正 弦波永磁同步电机（PMSM）与梯形波永磁同步电机（BＬＤC）【261.正弦波永磁同步电机 定子由三相绕组以及铁芯构成，电枢绕组常以Y型连接，采用短距分布绕组;气隙场 设计为正弦波，以产生正弦波反电动势；转子采用永磁体代替电励磁,根据永磁体在 转子上得安装位置不同，正弦波永磁同步电机又分为三类:凸装式、嵌入式与内埋式。 本文中采用得电机为凸装式正弦波永磁同步电机,结构如图2一l所示，定子绕组一 般制成多相,转子由永久磁钢按一定对数组成，本系统得电机转子磁极对数为两对, 则电机转速为n=60ｆ/p，f为电流频率,Ｐ为极对数。

图2一l凸装式正弦波永磁同步电机结构图 目前,三相同步电机现在主要有两种控制方式,一种就是她控式（又称为频率开环 控制)；另一种就是自控式(又称为频率闭环控制）[27】。她控式方式主要就是通过独立控 N＃l－部电源频率得方式来调节转子得转速不需要知道转子得位置信息,经常采用恒压 频比得开环控制方案。自控式永磁同步电机也就是通过改变外部电源得频率来调节转子 得转速，与她控式不同，外部电源频率得改变就是与转子得位置信息就是有关联得，转子

转速越高，定子通电频率就越高，转子得转速就是通过改变定子绕组外加电压(或电流） 频率得大小来调节得。由于自控式同步电机不存在她控式同步电机得失步与振荡问 题,并且永磁同步电机永磁体做转子也不存在电刷与换向器,降低了转子得体积与质 量，提高了系统得响应速度与调速范围，且具有直流电动机得性能，所以本文采用了 自控式交流永磁同步电机.当把三相对称电源加到三相对称绕组上后,自然会产生同 步速得旋转得定子磁场，同步电机转子得转速就是与外部电源频率保持严格得同步,且 与负载大小没关系. 2。1.２交流永磁同步电机得工作原理 本系统采用得就是自控式交直交电压型电机控制方式，由整流桥、三相逆变电路、 控制电路、三相交流永磁电机与位置传感器构成，其结构原理图如图2-2所示.在 图2-2中，50HZ得市电经整流后,由三相逆变器给电机得三相绕组供电，三相对称 电流合成得旋转磁场与转子永久磁钢所产生得磁场相互作用产生转矩，拖动转子同步

永磁同步电机驱动系统

永磁同步电机驱动系统 架线式电机车是煤矿井下和地面原煤运输和辅助运输的重要设备，被煤矿企业广泛应用。由于现有电机车大都采用直流电机驱动，存在维护工作量大、维修费用高、能量损耗大及相关配套人员量大等缺点，致使电机车使用效率低下，使用费用很高。本项目是针对架线式电机车的现状，开发适用以架线式电机车的永磁同步电动机及其控制装置。采用IGBT或IPM实现逆变器主电路，设计优良的IGBT或IPM驱动电路，保证开关器件工作的安全、可靠。选用高性能数字信号处理器为核心，设计专用控制器，实现电机车的传动控制和工艺控制。 本项目研制成功将会给架线式电机车带来全新的变化，大大提高系统的运行效率和控制性能，延长架线式电机车的使用周期，起到节能的效果，也有效减少维修工作量。 1、国内外现状 电机车是煤矿井下和地面广泛应用的运输设备，现在直流电机驱动设备每年使用费用很高。而现有的电机车驱动及其控制技术共有三代五个阶段：第一代技术为串励式直流电动机及其控制：这一代技术又经历了三个阶段，第一个阶段为电阻调速，存在调速性能差（为有极调速）、能耗大、电机易损、机械磨损大，以上问题直接导致维护工作量和维护费用高；第二个阶段为可控硅斩波调速，第三个阶段为IGBT斩波调速，第二和第三阶段相对于第一阶段仅解决了一个无极调速问题，能量损耗相对于第一阶段要小点，但其他问题均没有解决。 第二代技术为三相异步电动机及其控制，主要采用变频技术进行。由于三相异步电动机的效率较低，变频技术在车辆上应用故障高，而且异步电动机起步转矩较低，不符合煤矿电机车运行环境。目前机车应用的异步电动机存在诸多问题，暂不符合大面积推广使用技术条件。 第三代技术为永磁同步电动机及其控制技术，就是现在在做的技术。在同步电动机中用永磁体取代传统的电激磁磁极，简化了结构，消除了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积；省去了激磁直流电源，消除了激磁损耗和发热。在交流驱动中，永磁同步电动机具有结构简单、坚固耐用，工作可靠，

永磁同步电机在高速电主轴系统中的应用

永磁同步电主轴技术与应用 摘要： 伴随着高速高效高精加工技术的飞速发展，高端数控机床针对电主轴的技术需求深度和广度都不断拓展。特别是近几年来，基于永磁同步电机的电主轴技术与产品得到了快速的发展和广泛的应用。本文结合笔者在电主轴技术研究和产品开发过程中所涉及的关键技术问题，尤其是永磁同步电机在高速电主轴系统中的应用问题进行了广泛深入的探讨，希望以此对国内永磁同步电主轴产品技术开发与推广应用有所促进。 一、引言 高速高精高效加工，是数控机床永恒的追求目标和发展趋势。高效率需要高速度，在航空零件加工中尤为突出。飞机机身结构件的典型零件有梁、筋、肋板、框、壁板、接头、滑轨等类零件。且以扁平件、细长件、多腔件和超薄壁隔框结构件为主。毛坯为板材、锻件和铝合金挤压型材，90％以上为铝合金件。材料利用率仅为5％-10％左右，原材料去除量非常大大（1）。材料去除量大，在粗加工阶段，需要主轴具备足够的转矩输出能力，满足大吃刀切削。整理结构，多腔超博，又需要用小刀具清根，修光。小刀具则需要主轴有足够高的转速，以满足刀具的切削速度需求。因此，航空铝合金零件的加工就需要机床主轴不但具备低速大转矩输出，同时又能在小刀具加工时具备足够高（20000rpm以上）的工作转速。 在磨具加工行业，近年来大量使用的高速雕铣机，在高速电主轴的助推下，利用小刀具的微刀痕特点，大大提高了各种材质模具制造的精度和速度。随着雕铣机床的进一步发展，雕铣机也逐渐进入零件加工领域，因此对主轴的低速输出转矩也提出较高的要求。 平板电脑、苹果手机等高端电子消费品的快速发展，是当今时代最大的亮点之一。这类日用电子消费品，更新速度之快，不但让人眼花缭乱，而且使数控钻攻中心机得以急速发展。这类机床除了具备现代数控机床的基本特征外，必须具备在6000rpm以上高速刚性攻丝的能力。 综合上述三个典型的行业需求，需要数控机床电主轴同时具备三种特点，低速大转矩输出、20000rpm以上的工作转速、可以高速刚性攻丝。永磁同步电主轴则是同时具备这三个特征的最佳电主轴产品。本文就是通过对永磁同步电主轴基本结构，关键技术，以及在不同机床领域里的应用介绍，希望大家对永磁同步电主轴能有比较全面的认识和借鉴。 二、永磁同步电主轴的基本结构及其特点 永磁同步电主轴与传统电主轴的最大区别是采用了稀土永磁同步电机作为主轴的驱动动力源，除此之外，基本结构与异步电机驱动的电主轴结构基本相同。图1为典型的雕铣机用异步电主轴结构，图2为典型的雕铣机用永磁同步电主轴结构。两者结构上最大的区别是图1中的9为感应式鼠笼转子，图2中的16为稀土永磁转子。另外，图2中的20为编码器，是为了较高的速度控制精度而增加的速度和位置反馈元件。

(整理)永磁同步电动机的应用.

一、 概述 众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在70年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。 在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，轻载时尤甚，这大增加了线路和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。 过去的电力拖动中，很少彩同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在70年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过去的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。 自70年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有： 1、高性能永磁材料的发展 永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1：5，第二代钐钴2：17和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的不断改进提高，这些缺点大多已经克服，现钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达180℃，一般也可达150℃，已足以满足绝大多数电机的使用要求。表1是各种永磁材料性能比较。 表1各种永磁材料的性能比较 永磁材料剩磁（T）Br(T) 矫顽力HcB(KA/m) 内禀矫顽力Hcj(KA/m) 最大磁能积(BH)m（KJ/m3）剩磁可逆温度系数αB(%C) 居里温度Tc8(C) 中等水平钕铁硼`` 1.26 967 955 310 -0.12 350 较高水平的钐钴1.00 746 766 210 -0.03 850

直流无刷电机与永磁同步电机区别

通常说的交流永磁同步伺服电机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制方式。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。最后明确一个概念，无刷直流电机的所谓“直流变频”实质上是通过逆变器进行的交流变频，从电机理论上讲，无刷直流电机与交流永磁同步伺服电机相似，应该归类为交流永磁同步伺服电机；但习惯上被归类为直流电机，因为从其控制和驱动电源以及控制对象的角度看，称之为“无刷直流电机”也算是合适的。 无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波， 逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。 本质上，无刷直流电动机也是一种永磁同步电动机，调速实际也属于变压变频调速范畴。通常说的永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制 策略。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。 最后纠正一个概念，“直流变频”实际上是交流变频，只不过控制对象通常称之为“无刷直流电机”。 仅对电机结构而言，二者确实相差不大，个人认为二者的区别主要在于： 1 概念上的区别。无刷直流电机指的是一个系统，准确地说应该叫“无刷直流电机系统”，它强调的是电机和控制器的一体化设计，是一个整体，相互的依存度非常高，电机和控制器不能独立地存在并独立工作，考核的也是他们整体的技术性能。而交流永磁同步电机指的是一台电机，强调的是电机本身就是一台独立的设备，它可以离开控制器或变频器而独立地存在独立地工作。 2 从设计和性能角度上看，“无刷直流电机系统”设计时主要考虑将普通的机械换向变为电子换向后如何还能保持机械换向电机的优点，考核的重点也是系统的直流电机特性，如调速特性等；而交流永磁同步电机设计主要着重电机本身的性能，特别是交流电机的性能，如电压的波形、电机的功率因数、效率功角特性等。 3 从反电势波形看，无刷直流电机多为方波，而交流永磁同步电机反电势波形多为正弦波。 4 从控制角度看无刷直流电机系统基本不用什么算法，只是依据转子位置考虑给那个绕组通电流即可，而交流永磁同步电机如果需要变频调速则需要一定的算法，需要考虑电枢电流的无功和有功等。 5 关于“那么三相无刷直流电机能不能使用三相正弦交流电呢如果可以，霍耳器件是否可以不用了” 从原理上讲，三相无刷直流电机使用三相正弦交流电是可以运行的，只不过是运行性能可能很差，如果三相无刷直流电机的反电势波形为方波，则使用三相正弦交流电时会产生很大的谐波损耗，温升很高。是否需要霍耳器件与使用什么电源（三相正弦交流电或方波脉冲电源）无关，而与电机的控制算法、控制策略及控制方式等因素有关，如果是用无位置传感

大功率高速永磁同步电机的设计与分析

大功率高速永磁同步电机的设计与分析 发表时间：2016-07-19T10:13:33.690Z 来源：《电力设备》2016年第8期作者：陆焕瑞王钢汪佳龙[导读] 从安全性、可靠性、稳定性、准确性等方面入手，通过自主研发，以此来研制出满足用户要求的高性能产品。陆焕瑞王钢汪佳龙(上海海事大学上海 201306) 摘要：针对西气东输过程中的10MW级变频驱动压缩机组(PDS)中，对高速直驱电动机的技术、结构和组成的要求，提出了大功率高速永磁同步电机的研制方案。本文尝试以10MW等级调速范围3120~4800rpm和额定频率160Hz的技术要求，来设计适合西气东输PDS中的大功率高速永磁同步电机。本文主要以Ansoft软件来设计电机，通过选择合适的技术参数来完成相应的设计。 关键词：PDS组，大功率，高速，永磁同步电机，Ansoft，设计与分析1 引言 根据10 MW级变频电驱压缩机组中压大功率变频调速驱动系统(简称PDS)国产化研制及应用的项目背景，提出了10MW级变频电驱系统的技术要求，通过比较分析市场各种变频器的结构特点和国产变频电驱系统技术力量，电机通常为正压通风防爆无刷励磁同步电机，一般有低速(1000~1500 r/min)加齿轮箱和4500~5200 r/min与压缩机高速直联驱动2种方式。由于国内厂家没有成熟的产品和应用业绩，主要由SIEMENS，ABB，TEMEI。由于变频永磁同步电机能够通过降低输入电压频率实现自起动，而内置的永磁体能够提供磁通以及产生相应的同步转矩，这样可以保证电机稳定运行时为同步电机运行状态。同时对于电机来说无需励磁电流，大大减少了定子上电流以及相应的损耗，并且在转子上几乎无电流以及铜耗。因此与传统的感应电机和励磁电机相比，具有效率高、功率因数高的优点。 2 大功率高速永磁同步电机的设计2.1 主要设计特点永磁同步电机的定子一般与相应的异步电机的定子冲片相同，最主要的是对转子的设计。本文设计的大功率高速永磁同步电机的使用场合较为特殊，对于这样的大电机要求运行可靠、大功率、高转速、高效率、防爆要求较高。所以不仅要设计合理的电磁磁路，又要在相应的技术参数基础上(机、电、热、材料、工艺、环境)对电机的性能进行改善。所以在设计过程中要综合以下方面综合考虑：(1)高压变频 高压变频起动永磁同步电机无需起动绕组，这样需要大功率的变频器来与之相匹配，同样还要加强电气强度，提高安全系数。 (2)大容量 电机为4级，定子额定电流约为660A，额定电压约为10kV,额定功率约为10MW，定子绕组采用Y型连接方式，相数为3相，额定频率为160Hz，额定转矩为20 。 (3)高转速 电机额定转速约为4800rpm，功率大、效率高、转速高，调速宽而且能持续运行。结合实际大功率高速永磁电机技术水平，合理选择驱动压缩机方式。 (4)防爆 天然气是极易发生燃烧爆炸的气体，所以对电机要进行防爆措施，选择合适的材料以及防爆等级。 (5)冷却 中小功率电机一般是利用空气进行通风冷却，但随着单机容量的增加，大功率高速电机的散热面积和风路安排受到诸多限制，使通风冷却较为困难。所以，为了保证电机温升不超过允许值需要用不同的冷却方式和通风系统。一般采用水风混合冷却，即内循环冷却采用水冷，外循环冷却采用风冷。 2.2 定转子设计 图1 定转子结构主要计算公式：

永磁同步电动机的应用前景

一、概述 众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在70年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。 在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，轻载时尤甚，这大增加了线路和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。 过去的电力拖动中，很少彩同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在70年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过去的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。 自70年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有：1、高性能永磁材料的发展 永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1：5，第二代钐钴2：17和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的不断改

高压永磁同步电动机应用与研究

高压永磁同步电动机应用与研究 目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。为实现中、大功率电动机高效节能目标，高效永磁同步电动机的研发和应用已成为国内外发展的必然趋势。高效永磁同步电动机理论分析、实验室试验和国家权威机构检测成功后，对现场应用尚无完整的试验研究数据，缺少通过试验和监测手段对高效永磁同步电动机进行经济效益分析。本文通过在张家口发电厂首次应用，并通过严格试验得出相关研究数据和分析结果。 标签：高效永磁同步电动机现场方案试验研究结果分析 引言 在工业、建筑以及公用设施领域中电动机是重要的原动力设备，也是电能消耗的最大用户，和节电潜力的最大用户。2012年我国各类电动机总装机容量约为5亿千瓦，其中异步电动机的装机容量占全国电动机装机容量的90%，约占全国用电量的60%，占工业用量的75%，系统用电效率比国外先进水平低5%-15%，相当于每年浪费电能约1500亿千瓦时。 目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。而高效永磁同步电动机能否达到高效节能目标，现场应用前景如何，已经引起国内各大企业关注。2013年工业和信息化部印发（2013年工业节能与绿色发展专项行动实施方案）提出，选择电机在能效提升和绿色发展方面要取得突破。本文将通过在张家口发电厂首次应用和现场试验进行分析。为企业应用永磁同步电动机提供参考。 一、高压永磁同步电动机概述 1.高压永磁同步电动机的发展历程 电机属于电磁装置，其工作原理是通过磁场实现电能与机械能间的不断转换。在电机的工作过程中，气息磁场是必不可少的。获得磁场的方法有两种，其中一种是通过电流得到。该种电机叫做电励磁电机，这种电机需要具备专门用来产生电流磁场的绕组，同时，为了保证电流的正常流动还需要为电机提供不间断的能量供应。另一种方法是通过永磁体来获得磁场，这可以大大简化电机的结构，同时，因为永磁体一旦磁化（充磁）之后就永久具有磁性，不再需要外界供给能量，这也大大的减少了能量的损耗。 高压永磁同步电动机就是通过永磁体获得磁场的电动机，永磁体材料的发展促进了此种电动机的发展。稀土钴和钕铁硼永磁分别在20世纪60年代和80年代出现，这两种永磁材料的出现极大的促进的电动机的发展，因为这两种材料具有特别适用于电机装置的特性，包括高剩磁密度、高矫顽力、线性退磁曲线以及高磁能积。

基于SiC MOSFET的永磁同步高速电机驱动平台研发

基于SiC MOSFET的永磁同步高速电机驱动平台研发随着电动汽车的飞速发展,电动汽车驱动系统向着高速、高效、高压、高功率密度方向发展。由于国内电动汽车驱动主要使用永磁同步高速电机,电动汽车驱动的发展,一方面推动永磁同步电机的发展,另一方面也对电机驱动有了更高的要求。 随着电动汽车驱动系统效率、功率密度、母线电压、驱动电机转速的提高,对电机驱动的开关损耗、开关频率、耐高温工作能力、电压应力有了更高的要求,目前大多电机驱动器使用的主流的Si IGBT功率器件,已越来越难以满足需求。而新型宽禁带半导体碳化硅功率器件具有开关速度快、开关损耗低、导通损耗低、阻断电压高、耐高温等优势,在永磁同步高速电机应用上有无可替代的优势。 随着碳化硅材料制造工艺的进步与发展,碳化硅功率器件的电气性能在不断优化,所以碳化硅功率器件在永磁同步高速电机驱动的应用方面的研究有了较强的实际应用价值。碳化硅功率器件在电气性能上具有许多优势,但是其应用在电机驱动上仍然存在许多问题要解决。 本文分析了SiC MOSFET应用于高速电机驱动上的三个常见问题,一是开关速度的提高,换流回路寄生电感会带来漏源电压过冲与振荡等问题,文章通过主电路换流回路建模分析漏源电压振荡产生原因,提出漏源电压过冲与振荡的抑制方法并通过实验验证了抑制方案的可行性;二是控制闭环刷新频率的提高,对控制平台与控制算法要求提高,文章通过硬件升级与程序改进两个方面来提高控制频率;第三个也是最主要的问题,SiC MOSFET应用时的容易产生桥臂串扰与栅源电压振荡。与传统的Si IGBT不同,SiC MOSFET功率器件由于开关速度大幅提升,开关瞬间漏源间会产生很高的电压变化率,从而使桥臂串扰与栅源电压振荡问题

270V高压大功率永磁同步电机驱动器设计

270V高压大功率永磁同步电机驱动器设计 摘要：近年来270V高压直流供电体制在各种装备上开始大量应用，本文给出了 一种由TMS320F2812、高精度转子位置速度检测装置及高压MOS管组成的高压 大功率永磁同步电机驱动控制方案，详细描述了系统的硬件组成和软件设计结构。试验结果表明，该系统较好的解决了高压供电带来的干扰问题，具有调速性能良好、效率高、抗干扰能力强等特点，满足型号的使用要求。 关键词：270V高压；永磁同步电机驱动器；抗干扰 0 引言 随着我国对高压直流电源系统的深入研究，新一代装备已开始采用270V高压直流供电系统，这种新型电源体制不但具有传输功率大、传输效率高、供电可靠 性高和电源配电重量轻的特点，而且还将大大减小低压直流供电系统的电器设备 的大电流电弧干扰，提高了武器装备的综合能力[1]。 本文给出了一种由TMS320F2812、高精度转子位置速度检测装置及高压MOS 管组成的大功率PMSM驱动控制方案，详细叙述了系统的硬件组成和软件设计结构。并在此基础上，设计了一套大功率PMSM驱动控制系统，该系统具有调速性 能良好，效率高等特点，满足型号的使用要求。 1 系统总体设计 1.1 永磁同步电机（PMSM）数学模型 永磁同步电机由于具备小体积、高效率及功率密度、调速性能良好等优点得 到了越来越广泛的应用。PMSM的数学模型包括电动机的运动方程，物理方程和 转矩方程，这些方程是永磁同步电机数学模型的基础。控制对象的数学模型能够 准确的反应被控系统的静态和动态特性。为方便分析，先做以下假设[2~4]： 1）磁路不饱和，即电机电感大小不受电流变化影响，不计涡流和磁滞损耗； 2）忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响； 3）三相绕组完全对称，永久磁钢的磁场沿气隙周围正弦分布； 4）电枢绕组在定子内表面均匀连续分布； 5）驱动开关管和续流二极管为理想元件。 优化设计后的永磁同步电机经过Park变换后，其dq坐标系下的数学模型可 表示为方程式： 式1.1 式1.2 式1.3 式中：、—定子电压dq轴分量；、—定子电流dq轴分量； —定子电阻；—转子极对数； —转子角速度；—定子电感； —电磁转矩；—永磁体产生的磁链，为常数； 从电磁转矩方程可以看出只要能准确地检出转子空间位置（d轴），通过控 制逆变器使三相定子的合成电流在q轴上，那么永磁同步电机的电磁转矩只与定 子电流的幅值成正比，即控制定子电流的幅值，就能很好地控制电磁转矩。 1.2 驱动控制策略 永磁同步电机的控制策略有很多种，如直接转矩控制、转子磁场定向控制等[5~6]，本系统采用转子磁场定向控制，其基本原理是通过坐标变换，在转子磁场 定向的同步坐标系上对电机的磁场电流和转矩电流进行解耦控制，使其具有和传

旋转变压器在高速永磁同步电动机中的应用 看完

摘要:介绍一种用于高速永磁同步电动机控制的转子位置检测方法,该方法采用旋转变压器/数字转换器AU6802N1,将旋转变压器输出的模拟信号转化为数字位置信号。设计了AU6802N1与旋转变压器和TMS320F2812之间的接口电路,并提出了一种具有较强容错性的位置信号数字处理方法，试验表明,该方案能够准确地实现电机位置和速度的检测。 关键词:旋转变压器，AU6802N1，接口电路，数字信号处理器 在采用磁场定向控制的永磁同步电动机调速系统中,需要实时地检测电机转子位置及转速,以实现转矩、速度的闭环控制。通常的检测方法是使用光电编码器,而常用的正交光电编码器起动时需要一段时间进行转轴定位,而且抗冲击震动性差,因此在需要快速响应的高速运行且对抗震要求较高的场合,往往使用旋转变压器。旋转变压器的输出是含位置信息的模拟信号,需要将其转换为数字信号才可输入到单片机或DSP等控制芯片。本文采用多摩川公司的旋转变压器数字转换器AU6802N1将模拟位置信号转换成12位数字位置信号, 同时采用TMS320F2812作主控CPU,可满足系统对转子位置与速度信号实时快速检测和处理的要求。实验表明该方案确实可行,并具有较高的控制精度。 1 旋转变压器的原理 本系统选用的无刷旋转变压器如图1所示。经过无刷化设计,旋转变压器初级励磁绕组(R1-R2)和二相正交的次级感应绕组(S1-S3,S2-S4)同在定子侧,转子侧是与初级绕组和次级绕组磁通耦合的特殊结构的线圈绕组。 图1旋转变压器原理图

当旋转变压器转子随电机同步旋转、初级励磁绕组外加交流励磁电压后,次级两输出绕组中便会产生感应电势,大小为励磁与转子旋转角的正、余弦值的乘积。旋转变压器输入输出关系如下: ER1-R2=E0sinωt ES1-S3=KER1-R2sinθ ES2-S4=KER1-R2cosθ 式中: E0——励磁最大幅值； ω——励磁角频率； K——旋转变压器变比； θ——转子旋转角度。 2 基于AU6802N1的接口电路 2.1 旋转变压器与AU6802N1的接口电路 AU6802N1提供给旋转变压器的交流励磁电压由RSO-COM口输出,频率由引脚FSEL1和FSEL2设置,在图2的电路中励磁电压信号的频率设置为10kHz。励磁电压的有效值通过双电源Booster放大电路进行调节。该励磁电压信号又反馈回R1E -R2E端口,用于实现内部相位同步检测和断相检测。旋转变压器产生的cos和sin 信号经过调理后分别由S3-S1和S4-S2端口进入解码芯片。参数选择:V=15V, Ri=22kΩ, Rf=100kΩ, R1=R2=313kΩ, R3 =R4=4.7Ω, Rext=12Ω, RR1=RR2=313k Ω, RI1=20kΩ, RI2=200kΩ, RBH=68kΩ, RBL=20kΩ，Ci=0.1μF, Cf=200pF, Cn=100pF, Cc=1000pF。

交流永磁同步电动机伺服系统

交流永磁同步电动机伺服系统 1 伺服系统的基本概念 1.1 名词 “伺服”—词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在讯号来到之前，转子静止不动;讯号来到之后，转子立即转动;当讯号消失，转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能，因此而得名—伺服系统。 1.2 定义 伺服系统—是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标值(或给定值)的任意变化的自动控制系统。 伺服的主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力距、速度和位置控制得非常灵活方便。 1.3 伺服系统的组成 伺服系统如图1所示，是具有反馈的闭环自动控制系统。它由位置检测部分、误差放大部分、执行部分及被控对象组成。 1.4 伺服系统的性能要求 伺服系统必须具备可控性好，稳定性高和速应性强等基本性能。说明一下，可控性好是指讯号消失以后，能立即自行停转;稳定性高是指转速随转距的增加而均匀下降;速应性强是指反应快、灵敏、响态品质好。 1.5 伺服系统的种类 通常根据伺服驱动机的种类来分类，有电气式、油压式或电气—油压式三种。 伺服系统若按功能来分，则有计量伺服和功率伺服系统;模拟伺服和功率伺服系统;位置伺服和加速度伺服系统等。 电气式伺服系统根据电气信号可分为dc直流伺服系统和ac交流伺服系统二大类。ac交流伺服系统又有异步电机伺服系统和同步电机伺服系统两种。 这里只讨论电气式伺服系统中的一种—交流永磁同步电机伺服系统。 2 交流永磁同步电机伺服系统 伺服驱动系统能够忠实地跟随控制命令而动作，例如数控机床和工业机人，伺服驱动技术对产品的性能有重要影响，甚至起关键作用。故需进一步认识伺服驱动系统在其中的地位和作用。 2.1 ac伺服系统 电气伺服技术应用最广，主要原因是控制方便，灵活，容易获得驱动能源，没有公害污染，维护也比较容易。特别是随着电子技术和计算机软件技术的发展，它为电气伺服技术的发展提供了广阔的前景。 早在70年代，小惯量的伺服直流电动机已经实用化了。到了70年代末期交流伺服系统开始发展，逐步实用化，ac伺服电动机的应用越来越广,并且还有取代dc伺服系统的趋势成为电气伺服系统的主流。 在ac伺服系统中，可分为同步和异步型ac伺服系统两种。 ac伺服系统—→异步型—-→两相异步机; →三相异步机(力距电机)。 →同步型→磁阻式(开关式); →磁滞式(反应式); →永磁式。 永磁转子的同步伺服电动机由于永磁材料不断提高，价格不断下降，控制又比异步电机

永磁同步伺服电机驱动器设计原理

永磁同步伺服电机(PMSM) 驱动器设计原理 周瑞华周瑞华先生，中达电通股份有限公司应用工程师。 关键词：PMSM 整流功率驱动单元控制单元 永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模拟数字混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等缺点，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加可靠。现在，高性能的伺服系统大多数采用永磁交流伺服系统，其中包括永磁同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。后者由两部分组成：驱动器硬件和控制算法。控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分，也是技术垄断的核心。 一交流永磁伺服系统的基本结构 交流永磁伺服系统主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通信接口单元、伺服电机及相应的反馈检测器件组成。 其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等。我们的交流永磁同步驱动器集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于高精度、高性能要求的伺服驱动领域，还体现了强大的智能化、柔性化，是传统的驱动系统所 不可比拟的。 目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块(IPM)为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软起动电路,以减小起动过程对驱动器的冲击。 伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的两个模块，如图1所示。功率板(驱动板)是强电部分其中包括两个单元，一是功率驱动单元用于电机的驱动，二是开关电源单元为整个系统提供数字和模拟电源；控制板是弱电部分，是电机的控制核心也是伺服驱动器技术核心，控制算法的运行载体。控制板通过相应的算法输出PWM信号，作为驱动电路的驱动信号，来改变逆变器的输出功率，以达到控制三相永磁式同步交流伺服电机的目的。

高压永磁同步电动机应用与研究

高压永磁同步电动机应用与研究 摘要：目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。为实现中、大功率电动机高效节能目标，高效永磁同步电动机的研发和应用已成为国内外发展的必然趋势。高效永磁同步电动机理论分析、实验室试验和国家权威机构检测成功后，对现场应用尚无完整的试验研究数据，缺少通过试验和监测手段对高效永磁同步电动机进行经济效益分析。本文通过在张家口发电厂首次应用，并通过严格试验得出相关研究数据和分析结果。 关键词：高效永磁同步电动机试验研究结果分析现场方案 引言 在工业、建筑以及公用设施领域中电动机是重要的原动力设备，也是电能消耗的最大用户，和节电潜力的最大用户。2012年我国各类电动机总装机容量约为5亿千瓦，其中异步电动机的装机容量占全国电动机装机容量的90%，约占全国用电量的60%，占工业用量的75%，系统用电效率比国外先进水平低5%-15%，相当于每年浪费电能约1500亿千瓦时。 目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。而高效永磁同步电动机能否达到高效节能目标，现场应用前景如何，已经引起国内各大企业关注。2013年工业和信息化部印发(2013年工业节能与绿色发展专项行动实施方案)提出，选择电机在能效提升和绿色发展方面要取得突破。本文将通过在张家口发电厂首次应用和现场试验进行分析。为企业应用永磁同步电动机提供参考。 一、高压永磁同步电动机概述 1、高压永磁同步电动机的发展历程 电机属于电磁装置，其工作原理是通过磁场实现电能与机械能间的不断转换。在电机的工作过程中，气息磁场是必不可少的。获得磁场的方法有两种，其中一种是通过电流得到。该种电机叫做电励磁电机，这种电机需要具备专门用来产生电流磁场的绕组，同时，为了保证电流的正常流动还需要为电机提供不间断的能量供应。另一种方法是通过永磁体来获得磁场，这可以大大简化电机的结构，同时，因为永磁体一旦磁化(充磁)之后就永久具有磁性，不再需要外界供给能量，这也大大的减少了能量的损耗。 高压永磁同步电动机就是通过永磁体获得磁场的电动机，永磁体材料的发展促进了此种电动机的发展。稀土钴和钕铁硼永磁分别在20世纪60年代和80年代出现，这两种永磁材料的出现极大的促进的电动机的发展，因为这两种材料具有特别适用于电机装置的特性，包括高剩磁密度、高矫顽力、线性退磁曲线以及高磁能积。 我国专家学者自主开发的高效高压永磁同步电动机，采用实心转子磁极铁芯和启动笼复合结构，消弱了齿谐波，减少了转子表面损耗，提高了电机效率。同时，非均匀气隙和优化通风散热，有效的控制了电机温升。该种电机同异步电机相比各项指标显著提供，额定负载效率大于96%，功率因数大于0.98，综合节电率在8%-15%。 2、高压永磁同步电动机的优点

交流异步电动机和永磁同步电动机的优缺点比较

交流异步电动机和永磁同步电动机的优缺点比较 1.效率 永磁同步电动机的效率略高一些。但6kw的4极交流异步电机效率也能达到90%以上，与永磁同步电机差别并不大。 2.对控制精度的影响。 交流异步电动机和永磁同步电动机都被广泛应用于伺服系统中。在好的电机控制算法控制下，交流异步伺服系统和永磁同步伺服系统在控制精度上基本没有什么差别。特别是对于变桨系统来说，交流异步电动机的控制精度能达到±0.1度，已经足够了。 3.可靠性 变桨系统的可靠性至关重要。交流异步电动机可靠性远远高于永磁同步电动机，特别是在变桨系统应用中。永磁同步电动机有两大可靠性隐患： 1）永磁材料在绕组大电流情况下会永久性失磁或磁性能下降。通常情况下这一点可以通过电机驱动器的过流保护来避免大电流。但是变桨系统的应用恰恰要求有短时间 大电流的能力。特别是在顺桨时，我们为了保证风机的绝对安全，甚至要冒着牺牲 变桨电机和电机驱动器的危险，长时间维持大电流。对于交流电机来说，只要不造 成绕组烧毁，都可以继续使用。而一旦永磁同步电机的永磁材料磁性能下降，就无 法输出足够的力矩，影响风机安全。 2）转子磁钢钕铁硼磁钢的制造工艺复杂，防腐处理不好会造成锈蚀。钕铁硼磁粉很容易锈蚀，需要有很好的处理，包括电镀工艺来达到防腐蚀。如果处理不好，时间久 了可能会出现内部腐蚀。虽然现在磁钢的生产技术水平都提高了，但这一点始终是 个可靠性隐患。 4．成本 永磁同步电机的成本要高于交流异步电机。永磁同步电机的转子磁钢为钕铁硼。钕要从稀土中提取。中国是稀土第一蕴藏大国，也是第一出口大国。由于近几年中国把稀土列为战略物资，限制出口，造成稀土价格翻了几倍。而且以后稀土价格会越来越高，会直接对永磁同步电机成本造成很大影响。 综上所述，交流异步电动机的可靠性更高，成本更低，工艺简单成熟，更适合变桨系统应用。

永磁同步伺服电机驱动器原理

永磁同步伺服电机驱动器原理： 1、引言： 随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、永磁材料技术、交 流可调速技术及控制技术等支撑技术的快速发展，使得永磁交流伺服技术有着 长足的发展。永磁交流伺服系统的性能日渐提高，价格趋于合理，使得永磁交 流伺服系统取代直流伺服系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成 了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。永磁交流伺服系统具有以下等优点：（1）电动机无电刷和换向器，工作可靠，维护和保养简单； （2）定子绕组散热快； （3）惯量小，易提高系统的快速性； （4）适应于高速大力矩工作状态； （5）相同功率下，体积和重量较小，广泛的应用于机床、机械设备、搬运机构、印刷设备、装配机器人、加工机械、高速卷绕机、纺织机械等场合，满 足了传动领域的发展需求。 永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已 经进入了全数字的时代。全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等确定，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方 法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠。现在，高性能 的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统其中包括永磁同步交流伺服电动机 和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。伺服驱动器有两部分组成：驱动器 硬件和控制算法。控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是 国外交流伺服技术封锁的主要部分，也是在技术垄断的核心。 2、交流永磁伺服系统的基本结构： 交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口 单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其结构组成如图1所示。其中 伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。我们的 交流永磁同步驱动器其集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于 高精度、高性能要求的伺服驱动领域，还体现了强大的智能化、柔性化是传统 的驱动系统所不可比拟的。

高速永磁同步电机智能控制技术的仿真

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高速永磁同步电机智能控制技术的仿真 作者：史延东， 刘海清， 宁飞， 李靖， SHI Yan-dong， LIU Hai-qing， NING Fei， LI Jing 作者单位：西北工业大学自动化学院,陕西西安,710129 刊名： 计算机仿真 英文刊名：Computer Simulation 年，卷(期)：2011,28(8) 被引用次数：2次 参考文献(7条) 1.王凤翔高述电机的设计特点及相关技术研究 2006 2.贾东耀;曾智刚基于模糊控制的直流电机调速系统MATLAB仿真[期刊论文]-电机电器技术 2002(5) 3.李志明;张遇杰同步电机调速系统 1998 4.李辰;李颖晖;王磊基于滑模观测器的永磁同步电机矢量控制[期刊论文]-微计算机信息 2008(11-1) 5.汪海波;周波;方斯琛水磁同步电机调速系统的滑模控制 2009 6.徐永向;胡建辉;邹继斌;姚郁高速永磁同步电动机全数字化矢量控制研究[期刊论文]-微电机 2007(40-7) 7.曹先庆;朱建光;唐任远基于模糊神经网络的永磁同步电机矢量控制系统[期刊论文]-中国电机工程学报 2006(1) 引证文献(2条) 1.龚贤武.徐淑芬.张丽君.汪贵平永磁同步电机模糊自适应补偿速度控制系统[期刊论文]-计算机仿真 2014(1) 2.邹宇.向凤红.王剑平.张果.王刚交流电机控制策略研究进展[期刊论文]-电机与控制应用 2013(3) 引用本文格式：史延东.刘海清.宁飞.李靖.SHI Yan-dong.LIU Hai-qing.NING Fei.LI Jing高速永磁同步电机智能控制技术的仿真[期刊论文]-计算机仿真 2011(8)