关于永磁伺服电机的电磁结构[原创] 点击：3368 | 回复：28
发表于：2007-12-28 13:11:00
楼主
最近通过互联网查阅和了解了新型伺服电机的电磁结构原理。记得一年半以前曾定性地推演过在国外大厂已日渐流行流行的12槽10极电机的转定子间齿槽和磁极的对应关系，然而由于当时不熟悉分数槽永磁电机的设计理论，而且发现几乎所有的编码器制造商提供的带UVW换相信号的增量式编码器都没有5对极的，因此只是简单地认为12槽10极新型电磁结构的电机是对传统整数槽电机电磁结构的颠覆，而且具有体积效率高，闭合磁路短，定位力矩小，推力波动低等优点。
后来发现早在1999年前后问世的三菱J2系列伺服竟然采用9槽8极电机，对其电磁原理百思不得其解，毕竟思维的出发点还是限制在传统的整数槽磁极布置的框框下，不明白在磁极必须成对出现的前提下，如果是9槽6极很好理解，而9槽8极该如何分配相序关系？
直到最近才偶尔发现一家专门从事电磁分析的日本企业的网站上，介绍如何降低齿槽定位力的方法中提到了9槽6极传统布局和9槽8极新型布局间的差别，并指出相比之下，9槽8极比9槽6极的齿槽力矩可以小几乎一个数量级，这才豁然开朗。
为此，我针对这类新型分数槽永磁伺服电机，比如三菱的9槽8极结构和目前日渐流行的12槽10极结构中的转定子齿槽和磁极关系，制作了简单的平面模型，定性推演了这类新型分数槽永磁伺服电机的三相初级铁芯的各个齿槽在不同通电相位条件下的电磁极性，以及它们和相互错位的转子永磁磁极间的磁场作用关系，进而定性地推演出这类新型分数槽永磁伺服电机转子永磁磁极在通以三相对称交流电流的定子绕组产生的旋转磁场作用下行程差动连续运行的机理。作为对比，也组合制作了12槽8极传统整数槽永磁伺服电机的转定子齿槽和磁极关系的简单平面模型，并对比分析了传统整数槽永磁伺服电机定子电磁场与转子永磁场之间的作用关系和转子连续运行的机理。
进一步通过文献学习了解到和传统整数槽永磁伺服电机相比，这类新型分数槽永磁伺服电机具有齿槽定位力更小，反电势正弦度更好，力矩波动更小，磁通路径短，甚至体积效率更高，工艺性更好等优点。因此国外主流伺服电机厂商已广泛采用集中绕组，或分块式集中绕组的定子制造工艺，通过自动绕线技术，解决传统手工下线工艺自动化程度低，公认劳动强度大，产品质量难于控制，以及工艺成本偏高等一系列问题；而且通过采用分数槽结构，可以极大地降低永磁电机因定子开槽而导致的齿槽定位力矩，并有效改善电机的力矩平稳性。
然而，据我了解国内伺服电机业界在电机设计和工艺方面的差距还是很大的，反观国内伺服电机制造体系，还基本上停留在整数槽分布式绕组的定子设计阶段，即使采用集中绕组，也还是多采用手工下线，因此人工成本高，工艺质量难于控制，而且整数槽设计带来的最大问题就是居高不下的齿槽定位力矩和力矩波动。前一阶段，在库房偶然见到一台来自杭州MIGE的伺服电机，齿槽力矩非常大，虽然厂家加了很大的阻尼环，但是仍旧丝毫不能掩饰其齿槽力矩之大。
其实对于自己生产伺服电机的企业而言，在电机的电磁设计上，为什么要一再重蹈国内伺服电机制造企业的覆辙呢？也许是设计哪里不足，也许是碍于只是产权？当然我也没有具体查阅过相应的专利文献，对于国内是否存在这方面的知识产权问题也就不得而知了。
个人以为，如果排除设计问题，则一个设计良好的新型分数槽电机的制造成本可能丝毫不比设计老套的整数槽电机高，甚至还有可能更低，如果能花同样甚至更少的钱，做出更好的产品，又何乐而不为呢！
作为非电机专业设计人员，我知识从一个电机用户的角度，来看待上述问题，并发表一点感慨，希望能引起业内人士的思考，也希望专业人士不吝指出上述言论的错误或片面之处，共同促进国内伺服业界的思考。
后来发现早在1999年前后问世的三菱J2系列伺服竟然采用9槽8极电机，对其电磁原理百思不得其解，毕竟思维的出发点还是限制在传统的整数槽磁极布置的框框下，不明白在磁极必须成对出现的前提下，如果是9槽6极很好理解，而9槽8极该如何分配相序关系？
直到最近才偶尔发现一家专门从事电磁分析的日本企业的网站上，介绍如何降低齿槽定位力的方法中提到了9槽6极传统布局和9槽8极新型布局间的差别，并指出相比之下，9槽8极比9槽6极的齿槽力矩可以小几乎一个数量级，这才豁然开朗。
为此，我针对这类新型分数槽永磁伺服电机，比如三菱的9槽8极结构和目前日渐流行的12槽10极结构中的转定子齿槽和磁极关系，制作了简单的平面模型，定性推演了这类新型分数槽永磁伺服电机的三相初级铁芯的各个齿槽在不同通电相位条件下的电磁极性，以及它们和相互错位的转子永磁磁极间的磁场作用关系，进而定性地推演出这类新型分数槽永磁伺服电机转子永磁磁极在通以三相对称交流电流的定子绕组产生的旋转磁场作用下行程差动连续运行的机理。作为对比，也组合制作了12槽8极传统整数槽永磁伺服电机的转定子齿槽和磁极关系的简单平面模型，并对比分析了传统整数槽永磁伺服电机定子电磁场与转子永磁场之间的作用关系和转子连续运行的机理。
进一步通过文献学习了解到和传统整数槽永磁伺服电机相比，这类新型分数槽永磁伺服电机具有齿槽定位力更小，反电势正弦度更好，力矩波动更小，磁通路径短，甚至体积效率更高，工艺性更好等优点。因此国外主流伺服电机厂商已广泛采用集中绕组，或分块式集中绕组的定子制造工艺，通过自动绕线技术，解决传统手工下线工艺自动化程度低，公认劳动强度大，产品质量难于控制，以及工艺成本偏高等一系列问题；而且通过采用分数槽结构，可以极大地降低永磁电机因定子开槽而导致的齿槽定位力矩，并有效改善电机的力矩平稳性。
然而，据我了解国内伺服电机业界在电机设计和工艺方面的差距还是很大的，反观国内伺服电机制造体系，还基本上停留在整数槽分布式绕组的定子设计阶段，即使采用集中绕组，也还是多采用手工下线，因此人工成本高，工艺质量难于控制，而且整数槽设计带来的最大问题就是居高不下的齿槽定位力矩和力矩波动。前一阶段，在库房偶然见到一台来自杭州MIGE的伺服电机，齿槽力矩非常大，虽然厂家加了很大的阻尼环，但是仍旧丝毫不能掩饰其齿槽力矩之大。
其实对于自己生产伺服电机的企业而言，在电机的电磁设计上，为什么要一再重蹈国内伺服电机制造企业的覆辙呢？也许是设计哪里不足，也许是碍于只是产权？当然我也没有具体查阅过相应的专利文献，对于国内是否存在这方面的知识产权问题也就不得而知了。
个人以为，如果排除设计问题，则一个设计良好的新型分数槽电机的制造成本可能丝毫不比设计老套的整数槽电机高，甚至还有可能更低，如果能花同样甚至更少的钱，做出更好的产品，又何乐而不为呢！
作为非电机专业设计人员，我知识从一个电机用户的角度，来看待上述问题，并发表一点感慨，希望能引起业内人士的思考，也希望专业人士不吝指出上述言论的错误或片面之处，共同促进国内伺服业界的思考。
发表于：2008-01-09 14:04:00
23楼
昨天查阅H02K类的专利，发现哈工大有2位教师2007年2月提交申请的直线电机专利中有关于短端部集中绕组结构永磁直线电机初级铁芯齿距τt和次级磁体极距τp间的数据关系公式：τt=3n，τp=3n±1，其中n为自然数的论述，虽然个人以为该公式是专利申请人不知从哪个永磁机文献中抄来的，但是该公式确实给出了当前新型分数槽永磁电机初级铁芯齿距与次级磁体极距间的关系：
当n=1时，τt=3，τp=2，或4，其中τp=2的关系就是当前广泛采用12槽8极结构，τp=4的关系个人无法解释；
当n=2时，τt=6，τp=5，或7，其中τp=5的关系就是当前已开始越来越多的采用的12槽10极结构，τp=7的情形，也见过文献讨论12槽14极；
当n=3时，τt=9，τp=8，或10，其中τp=8的关系就是三菱J2系列小伺服采用的9槽8极结构，τp=10的情形，也见过文献讨论9槽10极；
当n=4时，τt=12，τp=11，或13，其中τp=11的关系就是目前欧系力矩伺服电机，比如Etel，广泛采用的24槽22极结构，或48槽44极，72槽66极结构，τp=13的情形，也见过文献讨论24槽26极；
当n=5时，τt=15，τp=14，或16，本人尚未见过实例或文献讨论。
就分数化程度而言，看来n=3中的9槽8极结构还要比n=2中的12槽10极结构的齿槽均化度更高。
当n=1时，τt=3，τp=2，或4，其中τp=2的关系就是当前广泛采用12槽8极结构，τp=4的关系个人无法解释；
当n=2时，τt=6，τp=5，或7，其中τp=5的关系就是当前已开始越来越多的采用的12槽10极结构，τp=7的情形，也见过文献讨论12槽14极；
当n=3时，τt=9，τp=8，或10，其中τp=8的关系就是三菱J2系列小伺服采用的9槽8极结构，τp=10的情形，也见过文献讨论9槽10极；
当n=4时，τt=12，τp=11，或13，其中τp=11的关系就是目前欧系力矩伺服电机，比如Etel，广泛采用的24槽22极结构，或48槽44极，72槽66极结构，τp=13的情形，也见过文献讨论24槽26极；
当n=5时，τt=15，τp=14，或16，本人尚未见过实例或文献讨论。
就分数化程度而言，看来n=3中的9槽8极结构还要比n=2中的12槽10极结构的齿槽均化度更高。
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