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步進電動機主流系列產(chǎn)品之升級——超強型混合式步進電動機 Prospective Marketing Host of the New Generation HB Stepping Motors——Hyper-torque Hybrid Stepping Motor.pdf
步進電動機主流系列產(chǎn)品之升級——超強型混合式步進電動機 Prospective Marketing Host of the New Generation HB Stepping Motors——Hyper-torque Hybrid Stepping Motor.pdf
第4J6卷第12期 Ik專機 V01．46．No．12 2013正12月 MICROMOTORS Dec．2013 口專 步進電動機主流系列產(chǎn)口口√乙 升級 超強型混合式步進電動機 王宗培1，任 雷2，陳敏祥3，阮國賢1，關(guān)仁元1 (1．珠海運控電機有限公司，廣東珠海519070；2．西安微電機研究所，西安710077； 3．浙江大學電氣工程學院，杭州310027) 摘要：步進電動機的發(fā)展方向是尋求一種快速性有明顯提高的主流系列產(chǎn)品。增強型結(jié)構(gòu)的混合式步進電動機被 認為應能成為主流步進電動機的發(fā)展趨勢。本文是上述思路延續(xù)工作的階段性成果，是對上述發(fā)展之路的確認和新 的發(fā)展，提出了混合式步進電動機的超強型齒層新結(jié)構(gòu)，使混合式步進電動機的比轉(zhuǎn)矩系數(shù)進一步提高，并對系列 產(chǎn)品綜合技術(shù)經(jīng)濟指標提升問題深入和具體化，采取的技術(shù)措施系統(tǒng)配套，使新系列產(chǎn)品的開發(fā)工作進入工業(yè)樣機 階段。 關(guān)鍵詞：步進電動機；超強型混合式步進電動機；主流系列 中圖分類號：TM383．6 文獻標志碼：A 文章編號：1001—6848【2013)12-0001—06 HostoftheNewGenerationHB ProspectiveMarketing Stepping Motor MOtors——Hyper—torqueHybridStepping WANG Zongpeil，RENLei2，CHENMinxian92，RUANGuoxianl，GUANRenyuanl 1 MotionControlMotor 59000，China； (1．Zhuhai Co．，Ltd．，ZhuhaiGuangdong 2．XianMicro·motorResearchInstitute710077，China； Electrical 310027，China) 3．Collegeof Engineering，ZhejiangUniversity，Hangzhou authors thattheinnovationofmarket motorseries Abstract：The argued target dominatinghybridstepping beon theremarkable of anddemonstratede- should pursuing improvementhighdynamicperformance that volved fromenhanced motorwouldbethebestsuccessorcandidates．This development hybridstepping pres— entationwillbe theformerideasintomoredetailedtheoreticaland the developing analysisdepictingtesting resultsofvarious structuralmodelof engineeringpractice．Thepatentedhyper-torque—tooth—layerhybridstep- motorWasintroducedfor ontheincreasednormalizationconstant．Asofthe ping comprehension torque part closed as for unit and wasdiscussedwella- product，thecorrespondingloopdrivingcontrollingmethodology the additionaltothe eco— chievinghishdynamicsystemperformance．In technologyaspects，theimproved nomicbenefitsandcost ofthe unit motor werealsostudiedand performanceproposedsteppingsystem depic— ted the resultsfromthe withtheintentof the of by testing productionworking samples facilitatingacceptance industries． series Keywords：steppingmotor；hyper—torquehybridsteppingmotor；marketdominating (17)機座號，括號內(nèi)是英制的表示法。主流的地位 0 引 言 是在約50年步進電動機工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)和應用過程 步進電動機主流系列，指的是覆蓋主流應用領(lǐng) 中，不同類型、不同結(jié)構(gòu)、不同相數(shù)、不同齒數(shù)等 域和市場的二相50個轉(zhuǎn)子齒的混合式步進電動機， 眾多步進電動機品種規(guī)格相互競爭中形成的。集中 最基本的三個機座號為：86#(34)、57#(23)和42#了半個世紀步進電動機發(fā)展成果的精華，從電機設(shè) 收稿日期：2013—08—1l 作者簡介：王宗培(1932)，男，教授，長期從事運動控制電機的研究。 任雷(1964)，男，博士，副教授，研究方向為步進電機、無刷直流電機、交流伺服電機理論并長期在生產(chǎn)一線 從事該類電機設(shè)計技術(shù)、控制技術(shù)的研究和實踐?，F(xiàn)為西安微電機研究所客座研究員。 陳敏祥(1963)，男，副教授，博士，主要從事電機及驅(qū)動控制方面的研究。 萬方數(shù)據(jù) ·2· Ik電扎 46卷 計、驅(qū)動技術(shù)、制造工藝、生產(chǎn)裝備、應用技術(shù)、 比轉(zhuǎn)矩系數(shù)(c。．。)，和伺服電動機的(C州)有些類 配套器件等各個方面看，都已很成熟和完善。對這 似，它的值根據(jù)式(4)大約為 樣的系列工業(yè)產(chǎn)品提出來升級換代的課題，顯然是 Nm／em3 C。．￡一0．015 (5) 一種嚴峻的挑戰(zhàn)。 與式(2)相比，明顯偏小。 對于作為運控電動機主要類型之一的步進電動 混合式步進電動機產(chǎn)品性能的升級，首先要找 機來說，提出性能升級的主要動力，當然是各類運 到提升電動機比轉(zhuǎn)矩系數(shù)的途徑，設(shè)計上的優(yōu)化不 動控制系統(tǒng)不斷發(fā)展進步，對運控電動機的要求也 可能有大的提升空間，需要有新的電磁結(jié)構(gòu)。早已 不斷提高。運控電動機應用在不同的場合，對它的 提出了增強型混合式步進電動機，它的結(jié)構(gòu)和標準 技術(shù)性能要求會各不相同，但是最基本的功能仍然 型的電動機幾乎沒有區(qū)別，只是在定子每極極靴上 是機電能量轉(zhuǎn)換，所以對于通用系列產(chǎn)品技術(shù)性能 的小槽內(nèi)嵌人特定充磁方向和極性的永磁體小條， 的提升，也主要應表現(xiàn)在機電能量轉(zhuǎn)換的效能和效 能使電動機的保持轉(zhuǎn)矩增大約60％…。給出了采用 率的提升，具體一點說就是電動機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和 高性能永磁體材料改變齒層磁場分布新設(shè)計，突破 輸出功率的提高，包括連續(xù)輸出功率和瞬時過載 了標準混合式結(jié)構(gòu)有效磁通分量的極限，在文獻 能力。 [2]中作者認為這種增強型結(jié)構(gòu)的混合式步進電動 本文介紹新系列是怎樣達到高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩和 機能成為主流步進電動機的發(fā)展趨勢，在進一步實 高功率輸出的，并以實例樣機說明所達到的技術(shù)性 踐的過程中又有了新的突破，提出了超強型齒層新 能指標。 結(jié)構(gòu)的混合式步進電動機∞j，它與增強型結(jié)構(gòu)不同 1超強型齒層新結(jié)構(gòu) 之處是在轉(zhuǎn)子各個鐵心段的小槽內(nèi)也都嵌入了特定 充磁方向和極性的稀土永磁體小條，能使電動機的 體積小、重量輕而轉(zhuǎn)矩大，是電動機發(fā)展的永 比轉(zhuǎn)矩系數(shù)進一步增大，事實上如果只在轉(zhuǎn)子小槽 恒目標。通常引入比轉(zhuǎn)矩系數(shù)C：這一概念， 內(nèi)加人永磁體小條，成了區(qū)別于增強型的另一種新 C,-麥 Q’ 結(jié)構(gòu)，使轉(zhuǎn)矩增大的作用與增強型的效果大體相近， 不妨命名為“加強型混合式步進電動機”。而在定子 式中，t為電磁轉(zhuǎn)矩，Nm；D為轉(zhuǎn)子直徑，cm；L 和轉(zhuǎn)子小槽內(nèi)都嵌入永磁體小條時，成了增強型和 為轉(zhuǎn)子鐵心長度，cm。 加強型結(jié)構(gòu)的疊加，使轉(zhuǎn)矩增大的作用也近似于二 式(1)表明c。代表電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子體積的某種 者的疊加，稱為超強型齒層新結(jié)構(gòu)的混合式步進電 比例關(guān)系，也大體上代表電磁轉(zhuǎn)矩與電樞體積的某 動機。 種比例關(guān)系，用來衡量電動機轉(zhuǎn)矩指標，并給出量 一臺超強型電動機實例的保持轉(zhuǎn)矩特性如文中 化的概念。例如通用交流伺服電動機的額定比轉(zhuǎn)矩 系數(shù)為 座較短機身長度的電動機。從圖中曲線可得二相通 Nm／cm3 (2) C州：0．02～0．03 電時的最大轉(zhuǎn)矩(飽和值)約為12Nm，一相通電時 通常有三倍瞬時過載能力，所以最大比轉(zhuǎn)矩系 的飽和轉(zhuǎn)矩約為8Nm，根據(jù)轉(zhuǎn)子直徑和長度的尺 數(shù)為 寸，D2L=80．64cm3，可得二相通電和一相通電時 Nm／cm3 、。7 的飽和比轉(zhuǎn)矩系數(shù)為 C。．。。。=0．06～0．09 混合式電動機受到本身結(jié)構(gòu)的限制，比轉(zhuǎn)矩系 Nm／cm3 (6) c。。2：0．149 數(shù)小得多，它的牽出比轉(zhuǎn)矩系數(shù)為 (7) Nm／cm3 c。。1：0．0992 L’， Nm／cm3 C…=0．019～0．027 在正弦波電流驅(qū)動的條件下，步進電動機運行 牽出轉(zhuǎn)矩是步進電動機能帶動負載不失步運行 情況能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩接近一相通電的最大轉(zhuǎn)矩(飽 的極限，不代表能帶動負載穩(wěn)定運行的轉(zhuǎn)矩，可能 和值)，開環(huán)定電流驅(qū)動能產(chǎn)生的最大牽出轉(zhuǎn)矩也一 與最大轉(zhuǎn)矩的概念有些類似，或者說(c。。)與伺服 樣，可見樣機運行時的最大比轉(zhuǎn)矩系數(shù)或牽出比轉(zhuǎn) 電動機的(C。。)有些類似，式(4)和式(3)的數(shù)字表 矩系數(shù)應為 明了二者的差距很大。步進電動機能帶動負載穩(wěn)定 (8) Nrn／cm3 C。。：0．09 運行的轉(zhuǎn)矩小于牽出轉(zhuǎn)矩，大約為牽出轉(zhuǎn)矩的50％ (9) Nm／cm3 ～80％，如果命名一個連續(xù)負載轉(zhuǎn)矩t。和連續(xù)負載 c。．。：0．09 萬方數(shù)據(jù) 12期 王宗培等：步進電動機主流系列產(chǎn)品之升級——超強型混合式步進電動機—— ：三： 式(8)和式(3)都是(C。．。，)，但代表的意義不但是事實上電動機的連續(xù)輸出功率首先不是受 同，前者是具體一臺新樣機的最大比轉(zhuǎn)矩系數(shù)的實 電磁關(guān)系的限制，主要是受發(fā)熱和溫升的限制，或 際值；后者則是通用伺服電動機最大比轉(zhuǎn)矩系數(shù)的 者說是要滿足熱平衡的關(guān)系。電動機的輸出轉(zhuǎn)矩咒 范圍。比較表明新樣機的最大比轉(zhuǎn)矩系數(shù)值達到通 或轉(zhuǎn)速n升高時，輸出機械功率P：相應增加 用伺服電動機該系數(shù)值的上限?？梢娦陆Y(jié)構(gòu)突破了 P2-(等)咒 。” 混合式結(jié)構(gòu)的局限，完全克服了混合式步進電動機 它是由輸入的電功率(P。)轉(zhuǎn)換來的，轉(zhuǎn)換過程 在產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩方面的弱勢，使轉(zhuǎn)矩指標成倍增長， 伴隨的損耗(∑p)也會相應增大，與效率(叩)的值 達到性能升級的目標。 相聯(lián) 2高轉(zhuǎn)速與高效率 2 (12) _，7 2萬P 性能升級的步進電動機，應能帶動負載在更寬 廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行，在更高的轉(zhuǎn)速下輸出更大的 ∑p：P：(字) (13) 功率。通常說步進電動機的轉(zhuǎn)速與輸入的控制脈沖 步進電動機通常為表面自然冷卻的散熱結(jié)構(gòu)， 頻率．疋。成正比，那是控制提出的要求和指令，步進 表面熱導以。表示溫差1度時散出的功率(可考慮安 電動機能否按指令正常運行，首先要看能否滿足基 裝支架的影響在內(nèi))，則電動機表面溫升(℃)為 本電磁關(guān)系的要求，就是電樞主電路的平衡關(guān)系， 亂一盈 (14) 是一組頻率與轉(zhuǎn)速成正比變化的多相交流電路，不 ～一A^ 論是電壓型或電流型驅(qū)動，電路平衡都應符合如圖 若表面容許溫升為％，則容許的總損耗值為 1和式(10)的關(guān)系 (15) (∑p)。。，：z-bA‘ 壹。：哥。．．11Z。 (10) 溫升容許的輸出功率為 式中，民為旋轉(zhuǎn)感應電動勢(EMF)，與轉(zhuǎn)速成正 (16) 尸2…：七。(碼A；) 比，V；V，為相繞組端電壓，V；，。為相電流，A； 其中： z。為同步阻抗，近似等于同步電抗x。，x。的值與轉(zhuǎn) k一—衛(wèi) (17) 速成正比。 ～叼 1一田 式(10)表明，只要由K與玩的差決定的電流 對于特定的電機來說，表面熱導參數(shù)是確定的， ，。能產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)矩帶動負載，就能在該轉(zhuǎn)速下穩(wěn) 容許溫升也是，所以最大輸出功率完全取決于k。的 定運行?？煽闯鲭妷旱纳撸螂妱菹禂?shù)減小，使 值，也就是取決于電動機的效率可，叩的值為O～ 能達到的轉(zhuǎn)速升高，也就是說從電磁平衡的角度看， 100％時，k。的值為0一∞。叼的值高，輸出功率才 提高電動機的轉(zhuǎn)速并沒有什么限制。具體地講，只 能增大，在一定轉(zhuǎn)矩條件下的轉(zhuǎn)速才能升高，可見 要提高驅(qū)動電壓，或者減少電動機每相繞組的匝數(shù)， 新系列電動機運行轉(zhuǎn)速范圍的提升，或者“額定”運 就能讓電動機帶載達到更高的運行轉(zhuǎn)速。 行轉(zhuǎn)速的提高，需要靠提高電動機的效率來達到， 所提出的超強型齒層新結(jié)構(gòu)，能成倍提高電動機的 轉(zhuǎn)矩指標，不見得對提高轉(zhuǎn)速指標有明顯幫助。 現(xiàn)有的主流系列步進電動機，運行轉(zhuǎn)速明顯偏 低，提高轉(zhuǎn)速是性能升級的重要目標。其實步進電 (a)相電路 動機的效率很低，只是在基本技術(shù)數(shù)據(jù)和技術(shù)指標 中通常不包含這一項，主要關(guān)注它的控制性能，對 效率的關(guān)注度不高，往往不清楚步進電動機的效率 指標。通常用電池供電的用戶會關(guān)注這一問題，在 節(jié)能問題日顯重要的今天，也漸漸認識到步進電動 機效率低是問題，只是通用系列產(chǎn)品的現(xiàn)狀難以改 0 變而顯得無奈?，F(xiàn)在既然是要升級，那末提高效率 (b)相量圖 自然也要列人主要升級的目標之中。 圖1電路模型 步迸電動機的損耗主要為三部分，即鐵損，銅 萬方數(shù)據(jù) ·4· IL 46卷 t機 損和機械損耗。其中機械損耗部分與一般電動機沒 電動機，運行平穩(wěn)性好，但動態(tài)響應能力不強，與 有多大區(qū)別，銅損部分的特點是與驅(qū)動方式有關(guān)， 變頻調(diào)速的同步電動機類似。眾所周知，開環(huán)的同 定電流驅(qū)動時，銅損偏大，改變驅(qū)動方式可以改善。 步電動機，只有在電樞磁勢與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一致的情況 鐵損大是主要的問題，多極對數(shù)是根源，主流系列 下才產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，如果突然改變電源頻率， 的電動機是50對極的同步電動機，繞組內(nèi)電壓、電 即改變電樞磁場的空間轉(zhuǎn)速時，與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同便 流和有效交變主磁通的主頻為二極電動機的50倍， 不能產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，因而失步，不能響應需 為5對極電動機的10倍，鐵心損耗的特征是在同樣 求轉(zhuǎn)速的突變。如果緩慢改變電源的頻率，轉(zhuǎn)子可 磁密交變分量幅值時隨頻率大于一次方增長，可見 能隨時被牽人同步，可見動態(tài)響應能力差實際上是 在相同轉(zhuǎn)速條件下，步進電動機的鐵損耗會比少極 開環(huán)步進電動機系統(tǒng)的基本特點或?qū)傩?。提高動態(tài) 對數(shù)的永磁同步電動機大很多，即使磁密交變分量 響應能力的有效途徑就是采取閉環(huán)的驅(qū)動系統(tǒng)。歸 的幅值會小一些，也不能彌補頻率大幅增長的影響。 屬于同步電動機類型的步進電動機的閉環(huán)驅(qū)動，與 可見性能升級新系列電動機，在采用超強型新 無刷直流電動機或交流伺服電動機一樣，首先是具 結(jié)構(gòu)大幅提升轉(zhuǎn)矩指標的同時，不可回避的是必須 備自同步功能，便能具有類似于直流電動機的特征。 采取降低鐵損耗的配套設(shè)計，主要為以下二點： 具體的控制方法和系統(tǒng)很多，有簡有繁，分別適應 (1)改進鐵心材料。目前主流系列50齒二相混合式于不同的場合。無刷直流電動機，僅用簡單的霍爾 步進電動機所用鐵心材料，為無取向冷軋硅鋼片 開關(guān)信號來作為自同步控制，提供方波電壓，基本 DW470—50。而少極數(shù)通用交流伺服電動機中相當思路是讓外加電壓的波形與旋轉(zhuǎn)感應電動勢同相位， 多采用無取向冷軋硅鋼片DW300—35或DW270—電磁作用原理及特性，與傳統(tǒng)直流電動機相當接近。 35，比損耗在同樣工頻或較低頻時小很多，不要說 通用交流伺服電動機應用分辨率較高的角位置編碼 步進電動機磁通交變的主頻已進人中頻區(qū)，理應選 器，和所謂的矢量控制，即對正弦波交流電樞電流 用比損耗更小適合于中頻應用的硅鋼片材料。(2) 的直軸分量和交軸分量分別控制的方法，較為復雜 轉(zhuǎn)子齒數(shù)改為N，=30。在同樣轉(zhuǎn)速下磁通交變的主但較為完善，驅(qū)動和控制性能很高。步進電動機屬 頻相應降為N，=50時的60％，對減小鐵損有明顯的同一類型，原則上是自同步的閉環(huán)控制方法，具體 好處，有利于提高效率、轉(zhuǎn)速和輸出功率的指標。 應怎樣實施才合適，特別是對于提升性能的新系列 電動機來說，肯定是一個需要進一步研究和開發(fā)的 而且將N，=50改為N，=30，不會影響多極同步電動 機的基本特征，不會影響到它的主流地位。在傳統(tǒng) 課題。 正半步驅(qū)動條件下，N，=50時步距角為1．80／0．9。，為新系列電動機第一輪工業(yè)樣機配備了第一輪 而N，=30時步距角為3。／1．50。我國早期通用的磁閉環(huán)驅(qū)動器的工業(yè)樣機，該驅(qū)動系統(tǒng)的簡要特點： 阻式步進電動機系列，就是以三相轉(zhuǎn)子40齒為主， 步距角為30／1．50，應用起來并未感到有什么不便。電流驅(qū)動；(3)具有位置、轉(zhuǎn)速和電流三閉環(huán)；(4) 我們生產(chǎn)的28#機座的二相混合式步進電動機就是 控制每相的正弦波電流與旋轉(zhuǎn)感應電動勢同相位。 N，=30，也不存在什么問題。在當今驅(qū)動技術(shù)進步所配置的樣機系統(tǒng)，與通用交流伺服電動機矢量控 制i。=0的系統(tǒng)相類似。 的條件下，將N，=50改為N，=30，更加不會對分辨 率和精度有多少影響。 近年來將閉環(huán)驅(qū)動系統(tǒng)應用到現(xiàn)有主流系列步 進電動機，以提升其性能指標受到相當大的關(guān)注， 3快響應與閉環(huán)驅(qū)動 已經(jīng)有一批這樣的產(chǎn)品進人市場，與原有的開環(huán)驅(qū) 對于運控電機來說，動態(tài)響應(轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩)始 動系統(tǒng)相比，某一些性能確實有所提高。但是從實 終是關(guān)鍵的性能指標?，F(xiàn)有步進電動機系列產(chǎn)品， 際產(chǎn)品的性能參數(shù)也不難看出，性能的提高相當有 它的轉(zhuǎn)矩指標、轉(zhuǎn)速指標、效率指標、輸出功率指 限，因為現(xiàn)有步進電動機比轉(zhuǎn)矩系數(shù)小、損耗大、 標等，都偏低的內(nèi)在原因分析清楚以后，采取針對 效率低、轉(zhuǎn)速和輸出功率受限，不從電動機設(shè)計的 性的設(shè)計，可望得到顯著的提升?？墒莿討B(tài)響應指 根本上著手，不可能顯著改變步進系統(tǒng)的面貌。新 標的提升，不能僅限于電動機本體設(shè)計變革，必需 樣機系統(tǒng)就不一樣了，成了名符其實的伺服電動機 與驅(qū)動器組合成一個驅(qū)動系統(tǒng)統(tǒng)一考慮。 系統(tǒng)，有高的過載能力和動態(tài)響應能力，為步進電 現(xiàn)有步進電動機的主流系列配套的主要是具微 動機結(jié)構(gòu)，不妨稱為步進伺服電動機系統(tǒng)。詳細的 步功能的定電流驅(qū)動器，屬開環(huán)正弦波驅(qū)動的同步 性能參數(shù)和指標在一下節(jié)中列出。 萬方數(shù)據(jù) 12期 王宗培等：步進電動機主流系列產(chǎn)品之升級——超強型混合式步進電動機 。5· 4樣機實驗及對比 為了更詳細和清楚地展示樣機的性能和指標， 列出了主要參數(shù)和特性的測試結(jié)果。并選擇了一款 對比的電機，對比電機與樣機屬同一機座號，但長 度不一樣，樣機為80#機座中“短”的一種規(guī)格(86一 A)，對比電機則屬86#機座號中等長度的一種(86一 B)，一般為短規(guī)格有效鐵心長度加倍所得，是目前 主流系列。該機座號有代表性，并配有閉環(huán)驅(qū)動器 性能較為突出的產(chǎn)品。外型尺寸對比如圖2所示。 仨百Fd 。—弭■ 程島P翱昔 a)實例} 圖3 實測保持轉(zhuǎn)矩特性示例 i i=川…i 醯 壁s蚤 (3)最大輸出轉(zhuǎn)矩與最大輸出功率特性 一f…一 圖4是最大輸出轉(zhuǎn)矩與功率的實測結(jié)果示例。 II，)z一兒匕l(fā)乜辛JL 圖4(a)對應86一A樣機與上一節(jié)所述閉環(huán)驅(qū)動器配 圖2 外型尺寸 套，加220V交流電源情況下測得；圖4(b)則是86 (1)空載短路實驗 一B對比電機與自有配套閉環(huán)驅(qū)動器組成系統(tǒng)時測 空載短路實驗及基本參數(shù)，如表l所示。 得，電源電壓為70V交流。 表1 空載短路實驗及基本參數(shù) 參數(shù) 86一A／樣機86一B／對比樣機 (2)保持轉(zhuǎn)矩特性 圖3給出了保持轉(zhuǎn)矩的實測結(jié)果示例，計算出 最大比轉(zhuǎn)矩系數(shù)已在前文中列出，并與通用交流伺 服電動機的最大比轉(zhuǎn)矩系數(shù)相比較，看出來甚至有 可能高于通用交流伺服電動機的該指標。 圖3中并列了對比電機的保持轉(zhuǎn)矩特性，曲線一I玨f比電機系統(tǒng) 的上升規(guī)律和達到最大值趨于飽和的特點有一些不 圖4實測最大輸出轉(zhuǎn)矩與最大輸出功率特性 同，但總體上看最大值基本上一樣。但是對比電機 圖中曲線 的體積大一倍，清楚地表明了超強型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩成 Nm，對應的轉(zhuǎn)速范圍為0～700 r／min，峰值功率為 倍增大。 600 71；86一B對比電機的峰值轉(zhuǎn)矩為5 Nm，對應 萬方數(shù)據(jù) 46卷 ·6· ▲t機 的轉(zhuǎn)速范圍為0～300 r／min，峰值功率為300W；在 表示法，由于空載損耗轉(zhuǎn)矩的影響，比電磁轉(zhuǎn)矩與 0～2000 r／min范圍內(nèi)，86一A樣機系統(tǒng)的最大輸出電流的比值會小一些。 功率都大于86一B對比電機系統(tǒng)，而且有較顯著的 輸入功率(P’，)是驅(qū)動器入口端的功率，輸出功 差別，清楚地突顯了新系列電動機系統(tǒng)在基本機電 率P2與P’，的比值叼’為驅(qū)動系統(tǒng)的效率，效率曲線 性能指標方面提升的幅度。 形狀頂部平坦，高效率區(qū)比較寬，且效率的值相當 (4)工作特性及效率 高，在咒=2～4．2Nm之間，叼’的值都超過80％， 圖5為86一A樣機系統(tǒng)工作特性的示例，所選最高達82．2％。電動機本體的效率叼的值還要高一 r／min 擇的是接近峰值輸出功率處的轉(zhuǎn)速，n=1170 些，所以由式(16)得 不變，負載轉(zhuǎn)矩增大時，繞組電流(峰值)L、電源 ”器-4．62 輸人功率P’。和系統(tǒng)效率叼’隨轉(zhuǎn)矩變化的曲線，因 為轉(zhuǎn)速保持不變，所以輸出轉(zhuǎn)矩坐標改變一下尺標 較高的k。值，保證電動機能輸出較大的持續(xù) 就是輸出功率坐標。電流變化曲線表明，與輸出轉(zhuǎn) 功率。 矩之間大致為線一A樣機系統(tǒng)可以稱為步進伺服電動機系統(tǒng)； TL=kIl p 列出一些與交流伺服電動機可以類比的主要參數(shù)如 k。=1．09 表2所示。 表2類比參數(shù) 參數(shù) 參數(shù)值 型號 (樣機) 外型尺寸／mm 86×86×80 相數(shù)m 2 額定輸出功率P。／W 250 rL／Nnl (a)轉(zhuǎn)矩與繞組電流關(guān)系曲線 額定電源電壓眠／V 220 額定轉(zhuǎn)速n。／(r·min。1) 1200 額定轉(zhuǎn)矩T．／Nm 2 峰值轉(zhuǎn)矩Tp／Nm 7．5 最高轉(zhuǎn)速n。。／(r·rain“) 2000 電勢系數(shù)J}。／(Vs／rad) 0．93 轉(zhuǎn)子慣量．，，／(g·cm2) 1270 7L／Nm 額定電流 (b)轉(zhuǎn)矩與系統(tǒng)效率關(guān)系曲線 (有效值)，恩博娛樂掛機-APP軟件。／A 峰值電流 5．6 (有效值)Ip／A 重量G／kg 1．5 5 結(jié) 論 (1)實踐表明，主流系列步進電動機產(chǎn)品盡管 (c)轉(zhuǎn)矩與電源輸入功率關(guān)系曲線 已很成熟完善，還是存在進一步提升性能的途徑。 r／min 圖5 86一A樣機系統(tǒng)工作特性示例，凡=1170 樣機實驗的結(jié)果表明，新的設(shè)計能使全系列電動機 的性能指標整體大幅提高，達到予期的效果。也表 k。表示轉(zhuǎn)矩與電流之間的比例關(guān)系，電流用有 明新系列開發(fā)課題或項目已取得關(guān)鍵性的進展，進 效值或者峰值時，k。的值會有差別。k。通常是指電 入重要的發(fā)展階段，即從探索為主向?qū)嵤橹髦鸩?磁轉(zhuǎn)矩與電流的比例關(guān)系，這里在實驗數(shù)據(jù)中得出 過渡的階段。 (下轉(zhuǎn)第46頁) 的是負載或輸出轉(zhuǎn)矩與電流的比例關(guān)系，為工程的 萬方數(shù)據(jù) 46卷 ·46· ▲專機 A and ofPMSMsforHEVsBased 若不計管壓降和信號死區(qū)對測量的影響，將導 [3]TariqR·DesignAnalysis Upon IEEEInternationalon 致k測量值比實測值整體偏小。原因是隨著d—q軸 A”8“geD洲“gcY。18Em。i8ncy[c]·2011 電流的增大，電壓相位角增加，則管壓降和死區(qū)分 解到q軸的電壓逐漸變小，因而在小電流區(qū)域Ld受 一pliedu0：。。id_。ize P二． 此影響較大，超出實測值5％的誤差帶，在大電流 p。lsi。。Confe。。。。。2008：1．5． 區(qū)域受此影響較小，不超出該誤差帶。 [5]王艾萌， 富聯(lián)娛樂，石文娟．基于磁路交叉飽和及電感參數(shù)補償?shù)膬?nèi)置式 永磁同步電機解耦控制[J]．電qg與控制應用，2010，37 ．． ．一 4 結(jié)語 (12)：47—51． CulezK H1hm¨P FMf 『61 AdamAAPastaci Rinnkand Nnise 本文探索出一種永磁同步電機直交軸電感參數(shù) andField．ori。。一 。。Mini。i：ioni。PMsM’u。i。gAcli，。Filt。：T0poi 的在線測量方法。利用永磁同步電機穩(wěn)態(tài)電壓方程 t。d E1。。t。。i。。．2008． Control[J]．IEEETran。。ti。。。Ind。。trial 計算直交軸電感參數(shù)，同時考慮了IGBT導通壓降、 55(1)：251—257． 死區(qū)、電機定子電阻和永磁體磁鏈對測量的影響。 [7]宋科，劉衛(wèi)國，駱光照，等·基于dspace的永磁同步電機參數(shù) 測量系統(tǒng)的研究與開發(fā)…·計算機測量與控制，2009，17 臺架試驗結(jié)果表明，該方法能夠準確、實時測量電 流全域內(nèi)直交軸電感參數(shù)的數(shù)值，適用于不同結(jié)構(gòu) [8]纂某，。三二備，劉敬猛，等．基于參數(shù)辨識的永磁同步電機電 的永磁同步電機。并逐一分析了定子電阻、磁鏈、 IGBT導通壓降及信號死區(qū)對電感參數(shù)測量的影響。 30—34． 不計定子電阻隨溫度變化的影響：￡。測量值偏 [9]楊明，付博，李釗，等．永磁同步電動機矢量控制電壓解耦控 大，乙測量值偏小，但二者均處在誤差帶以內(nèi)。 制研究[J]·電氣傳動，2010,40(5)：24_28· 不計磁鏈隨溫度變化的影響：¨o量值不變， ¨叫纛孺鬣篇搿要囂黧機 Ld測量值偏大。 [t1]程樹康，于艷君，柴風，等．內(nèi)置式永磁同步電機電感參數(shù) 不計管壓降和死區(qū)的影響：￡。測量值偏大，在小 的研究…．中國電機工程學報，2009，29(18)：94．99． 電流區(qū)域測量值落在誤差帶之內(nèi)，而在大電流區(qū)域逐 [12]廖勇，伍澤東，劉刃．車用永磁同步電機的改進MTPA控制 漸超出誤差帶，k測量值偏小，小電流區(qū)域測量數(shù)值 策略研究[J]．電機與控制學報，2012，16(1)：12·17· [13]蔡軍，萬山明·永磁同步電機參數(shù)對弱磁性能的影響[J]·微 處在誤差帶以外，而在大電流區(qū)域落在誤差帶以內(nèi)。 電機，2011。44(1)：1—3． 參考文獻
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