數字化無刷直流伺服電動機系統，或者按業內習慣叫做數字化永磁交流伺服電動機系統（永磁交流伺服系統），無疑已成為當代運動控制領域伺服驅動的主流產品和發展趨勢。國外各大伺服驅動廠商和電機制造商，在上世紀90年代就都發展完成了通用永磁交流伺服電動機系統的系列產品。額定功率一般在50w～20kw之間，轉速一般在1000～3000r/min之間。國產伺服系統由研究所及高校研發的起步時間并不比國外晚，進入工業生產領域則較晚。以有代表性的珠海運控電機有限公司為例，最早生產自己設計的伺服電動機是在2000年，2003年初步形成50w～5kw的伺服系統系列產品，2006年開始向完整化、完善化系列產品和逐步量產方向發展。表明國產伺服系列產品即將進入發展的新階段，能更好地滿足廣泛用戶的需求。但是在發展國產伺服系列產品過程中也發現，由于運控系統所涉及的領域極其廣泛，對伺服系統的要求千變萬化，十分多樣，所以在基本系列產品的基礎上，還要根據應用系統的要求，不斷拓展要求相對特殊一些的產品，更好地滿足廣泛的市場需要，這也是我們發展產品的重要思路之一[1]。本文介紹的是應用于數控鞋楦機中高速伺服系統的一個實例。 我國是世界頭號制鞋大國，鞋類產品的產量和出口量一直穩居世界之首。制鞋業的發展使得與之不可分割的鞋楦業迅速發展，相應地也出現了數控鞋楦機，或通常所說的電腦鞋楦機。鞋楦機用來加工鞋楦模型，它的運動控制系統包括四個坐標，如圖1所示。其中θ軸帶動工件轉動，x、y和θ三軸運動合成了鞋楦模型的輪廓;r軸帶動刀桿旋轉，完成切削加工。前三軸是典型的位置伺服系統，選用基本系列的適當型號就可以滿足要求。r軸則不一樣，沒有位置控制的要求，只要根據加工對象材質不同，保持適當的轉速旋轉就可以了。由于鞋楦模型的材質以塑料為主，要求刀具以高速轉動，至少9000r/min以上，否則難以保證加工表面的光滑美觀，而且在切削過程中也不能因為切削力的變化而使轉速有明顯的波動。基本系列的交流伺服系統中，沒有這么高速的規格品種，所以現有的數控鞋楦機中，只有三個軸采用了交流伺服系統[2]，刀桿的傳動則采用標準的異步電動機，看到的一個實例是用一臺普通的四極異步電動機，經1:5升速帶動刀桿旋轉，刀桿轉速約7000r/min。這種系統的缺點是:結構不緊湊，轉速偏低，而且不穩定，使得表面加工質量差。如果采用交流伺服系統，雖然用不著它的位置伺服功能，但是它的速度環和電流環，可以保證速度很穩定，即使負載變化也影響很小，而且在多頭鞋楦機中完全能保證多頭加工工件形狀和表面質量的一致，將帶來數控鞋楦機的突破性進展，可見為此在基本系列之外專門開發一款高速伺服系統是有價值的。 [font=黑體][color=black]設計結構特點及關鍵技術 [/color][/font]　　帶動數控鞋楦機刀桿轉動進行切削加工的伺服電動機，采取每個單頭的刀桿獨立驅動的方式，根據實際經驗，其基本技術要求大致確定為:額定轉速nn=9500r/min;額定功率pn=1000w。 高速永磁電動機一般而言，會對轉子的強度要求提高，對軸承的要求提高，會引起噪聲振動問題，會引起機械損耗、鐵心損耗增大和溫升提高問題等[3]。伺服電動機更要考慮采用高速編碼器的問題。對伺服驅動器則沒有原則性的影響。 　　基本系列伺服系統采用的位置傳感器是通用的增量型光學編碼器，以2500線為主。從脈沖頻率極限及機械強度角度出發，這類編碼器的最高轉速都限于5000r/min，不能適應所述高速伺服系統的要求。位置傳感器改選用ts2620n21e11型旋變，它的最高轉速為30000r/min，完全可以滿足需要。同時采用了配套的解碼芯片au6802n1，它可提供旋變所需的勵磁信號，將旋變的輸出信號解調并轉換成不同類型的數字信號，包括與增量型光學編碼器一樣的數字信號，應用起來很方便[4]。 　　在轉速不是很高，在10000r/min左右時，軸承無需采用特殊冷卻方式，仍可采用自帶油脂潤滑的普通軸承就可以了。只是在負荷容許的情況下，適當采用尺寸偏小的軸承，在裝配時選用合適的軸承室和軸承檔配合尺寸。 　　永磁電動機的轉子，多數情況下采用表面永磁體結構，永磁磁極通常用膠粘在轉子磁軛表面。高速電機中需采用非導磁金屬護套，或用無緯玻璃絲帶纏繞后加環氧膠固化。我們生產的基本系列產品，永磁電機的轉子結構，逐步已改為內置永磁體（ipm）結構，從機械強度角度看，完全適應高速電動機的要求，可靠性更高。 　　內置永磁體結構對改善齒槽定位轉矩有明顯好處[5]，對轉子質量對稱分布有利，有益于降低電動機的轉矩波動，改善電動機的噪聲和振動，這對高速電動機尤為重要。 　　基本系列伺服電動機電磁設計的特點:通常都是采用高性能的永磁體材料，一般為燒結ndfeb;高有效材料利用率，即采用高的電、磁負荷;大都為三對極或四對極機構，以獲得其高功率（轉矩）密度和高響應特性，筆者的設計也不例外，基本上都是四對極結構。四對極永磁電動機在9500r/min時，電磁頻率為633hz，已進入中頻（≥400hz）范圍，按照通常認為鐵心損耗[img=53,22]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wmf93.jpg[/img]計算，將為工頻（50hz）時的27倍，可見標準的電磁設計會使得鐵損太大，溫升過高，無法承受。也就是說降低電動機的鐵心損耗將成為高速伺服電動機的設計特點和關鍵技術。 [font=黑體][color=black]提高轉速的改型設計 [/color][/font]　　改型設計的主要特點是充分利用基本系列的基礎，盡可能少的改變基本系列的零部件設計，特別是涉及需要改變模具的部分，例如鐵心沖片的幾何尺寸等。某些變更只有在確實沒有簡便的方法能達到改型的目標時才為之，正因為受到這些實際考慮的限制，所獲得的改型設計方案不大可能是比較理想的設計，只能是一個可用的，但總體是較為經濟的方案。 　　改變額定轉速的設計相當簡單，在其他都不變的條件下，只要改變繞組的匝數就可以了。在電源電壓不變的情況下，讓額定轉速時的相電勢不變就可以，即電勢系數ke1與額定轉速nn成反比，也就是相繞組的有效串聯匝數n與nn成反比。 　　設改型要求的額定轉速: [img=59,22]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wmf94.jpg[/img]（1） 　　可取改型電機的匝數: [img=59,16]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wmf95.jpg[/img]（2） 　　如果保持槽滿率不變，則相繞組導體的截面積（[img=21,24]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wmf96.jpg[/img]）應為原型的k倍， [align=left][img=58,22]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wmf97.jpg[/img]（3） 　　假如保持繞組的額定電流密度不變，則額定電流便為原型的k倍，功率也將增大為k倍。實際上因為保持了電動機的電磁負荷（磁密和線負荷）未改變，電磁轉矩tn便相同，輸出功率pn便隨轉速的提高而增加為k倍， [img=44,19]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wmf98.jpg[/img]（4） [img=54,20]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wmf99.jpg[/img]（5） 　　以上分析實際上揭示了電動機設計的一條基本規律，即電動機的體積決定電動機的轉矩，功率則與轉速直接有關。但是這條規律只有當轉速在一定范圍內才適用，轉速超出一定范圍時，由于電動機損耗功率的增加，特別是鐵心損耗的增大，使電機的溫升超出容許值而不便于實現。 　　事實上在保持電流密度不變，用銅量不變的情況下，繞組的銅損耗是不變的。鐵損耗的情況則不同，在磁密不變的情況下，轉速升高時磁場交變的頻率增高，鐵損耗pfe增大，其中磁滯損耗與頻率f成正比增加，渦流損耗與頻率的二次方成正比，通常認為總鐵損與頻率的（1.3）次方成比例，所以: [img=73,23]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wm100.jpg[/img]（6） 　　可見，雖然從電磁設計的角度，一定幾何尺寸的電動機可以獲得一定的轉矩，使電動機的輸出功率隨轉速成正比增加，但是它會受到發熱的限制。當轉速達到一定值，電機的總損耗超出容許值時，就要降低電流密度j，使功率不可能成正比增加，甚至可能不增反減。在極限情況，即轉速相當高的情況下，電動機的鐵損耗（加上機械損耗）已經超出發熱的容許值時，電動機便沒有帶載能力，僅改動繞組匝數的改型設計便無法實現。 　　這時需考慮采取降低鐵損耗的措施，主要的方法應有:降低鐵心內的磁密，降低磁場交變頻率;采用損耗更低的硅鋼片牌號或厚度更薄的硅鋼片。結合本改型設計實例，選擇的原型是92bl（3）d100-30h（st）型電動機，這是一臺pn=1000w，nn=3000r/min，8個極的電動機。由于基本系列電動機已采用了冷軋無取向低損耗且厚度為 0.35mm的硅鋼片，所以改變鐵心材料降損耗的辦法不大現實，減少極數，例如將原8極電機改為4極電機，應是一個較有潛力的辦法，但應考慮到多極電機軛部高度小，改為4極后如不特地降低氣隙磁密或減少極弧系數，則因每極磁通量增大而使軛部磁密過高，會導致鐵損耗劇增，以至看不出降低頻率的作用。本改型設計實例就是人為地減小極弧系數，使軛部磁密不增加，配以合適的繞組匝數就可以達到目的。[/align][b][color=black][font=黑體]鐵損耗實驗示例[/font] [/color][/b]　　被測試電動機是原型電動機僅改變了繞組匝數的電動機，原型就是前述的92bl（3）d100-30h（st）型電動機。由于磁系統沒有任何變化，所以在相同轉速下的鐵損耗不變，空載損耗也基本不變。電動機不帶負載，在速度開環情況下，調節外加的直流電源電壓，便可測得不同轉速下空載運行的數據，如附表所示。 　　表中vs是外加直流電源電壓，is是直流電源輸出的電流，電動機在該轉速下空載運行的總輸入功率為: 　　p0=vsis （7） 　　ia0為相繞組電流有效值，r1為相繞組電阻，則相繞組基本銅損為: 　　pcu0=3 i2a0 r1 （8） 　　考慮到電流很小，忽略功率管的損耗和附加銅損，則空載運行時的電磁功率為: 　　pe0=p0－pcu0 （9） 　　電磁轉矩與空載損耗轉矩相平衡為: [img=49,37]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wm101.jpg[/img]（10） 　　轉子角速度: [img=52,32]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wm102.jpg[/img]（11） 　　實測的空載損耗轉矩與角速度的關系如圖2中曲線（1）所示。不考慮轉速相當低的部分時，可以用一條直線（2）來擬合，表達式為: [img=86,21]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wm103.jpg[/img]（12） [img=137,35]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wm104.jpg[/img]（13） 　　其中:[img=17,18]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wm105.jpg[/img]為恒定空載損耗轉矩部分，主要包括機械干摩擦轉矩和鐵心磁滯損耗轉矩;[img=14,19]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wm106.jpg[/img] 為粘滯摩擦系數，[img=25,19]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wm107.jpg[/img]為粘滯摩擦損耗轉矩，實際上主要反映的是鐵心渦流損耗轉矩，空氣和軸承油潤滑的粘滯摩擦轉矩只占很小部分，必要時可以由帶未曾充磁轉子的電動機測出。 　　附表數據表明，8極原型電動機在額定轉速nn=3000r/min時，空載總損耗為31.1w，僅占額定功率的3.11%，對高性能伺服電動機來說是恰當的值。該電動機在工廠實驗室常用的支架上測試時得，電動機的表面散熱系數（自然冷卻）約為1.68w/℃，所以3000r/min時電機表面溫升應為 [align=left][img=103,34]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wm109.jpg[/img]℃ （14） 　　有很大的余量可以帶負載。 　　當轉速升至額定轉速的2倍（6000r/min）時，空載總損耗增加至95.12w，約為nn時的3倍。轉速升到3nn（9000r/min）時，p0增加至175.35w，約為nn時的5.6倍，機殼表面溫升將達到: [/align][align=left][img=109,30]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wm110.jpg[/img]℃ （15） 　　加上環境溫度，已超過b級絕緣繞組的容許溫度，已沒有帶負載的任何余量。對電動機來說，提高它的絕緣等級，采用耐高溫的軸承潤滑脂和永磁材料，還可以允許更高一些的溫升，但電動機溫度過高，傳遞到銑削刀具，將嚴重影響工件表面加工質量，所以僅改變繞組匝數的改型設計方案是不可取的。 　　減少極數的改型電動機型號為92bl（2）d100-100h（st-1），其中（2）表示采用模擬量輸出的旋變作位置傳感器，額定功率pn=1000w，額定轉速[img=72,16]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wm111.jpg[/img]，轉子為4極結構，ndfeb永磁體磁極有較小的極弧系數。用同樣的方法做空載實驗，在意料之中的是，以鐵損耗為主的空載損耗與8極電動機相比，有明顯的下降。實測其空載損耗轉矩與轉速的關系曲線如圖3中（1）｀所示，在高于一定轉速的范圍內可以用直線（2）｀來擬合，得: [/align][align=left][img=91,25]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wm114.jpg[/img]（16） [img=151,44]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wm115.jpg[/img]（17） 　　與圖2及式（12）、（13）相比較，可以看出這種改型電動機的鐵損耗明顯下降，以轉速9000r/min時為例，空載總損耗降約57.16%，表面溫升的降至約為44.3°，這就為電動機的帶載留下了一定的余量。改型電動機在現場應用時，實際工作轉速為9500r/min，由于在實際系統中電動機是間歇工作狀態，用戶還加了輔助的風冷，所以電動機工作時溫升不高，不會對工件產生影響，可靠性也很好，滿足實際應用的要求。[/align][font=黑體][color=black]結語 [/color][/font]　　本文以鞋楦機銑削刀具運動系統的要求，介紹了高速伺服電動機系統應用的一種實例，討論了高速伺服電動機設計，特別是改型設計的技術關鍵和實際問題。給出了電動機以鐵損耗為主的空載損耗與轉速關系測試數據實例，給出滿足鞋楦機刀具運動系統要求的改型電動機實例。