【正文】 （4） 感應同步器感應同步器是利用兩個平面形繞組的互感隨位置不同而變化的原理制做的；可用來測量直線和轉(zhuǎn)角位移；測量直線位移的稱長感應同步器，測量轉(zhuǎn)角位移的稱圓感應同步器。無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的精度主要由函數(shù)誤差和零位誤差衡量。（3） 無刷旋轉(zhuǎn)變壓器+R/D變換器無刷旋轉(zhuǎn)變壓器是一種精密角度、位置、速度檢測元件，適用于高溫、嚴寒、潮濕、高速、高振動等旋轉(zhuǎn)編碼器無法正常工作的場合。（2） 光學增量式編碼器增量編碼器的特點是每產(chǎn)生一個輸出脈沖信號就對應一個增量位移角，不能直接檢測出軸的絕對角度。電角度，光電開關與電樞繞組的相對位置以及遮光盤與轉(zhuǎn)子磁極的相對位置類似于霍爾位置傳感器。光電開關通常采用將發(fā)光二極管和光敏三極管封裝在一起的光斷續(xù)器。電角度的扇形開口，扇形開口的數(shù)目等于無刷直流電機轉(zhuǎn)子磁極的極對數(shù)。其原理如圖13所示。霍爾集成電路有開關型和線性型兩種，通常用開關型作為位置傳感器?；魻栐恢脗鞲衅饔捎诮Y構簡單、性能可靠、成本低，是目前應用最多的一種位置傳感器。電磁式位置傳感器具有輸出信號強、工作可靠、壽命長、適應性強、對環(huán)境要求不高等優(yōu)點，多用于航空航天領域，但體積較大，信噪比較低，同時，其輸出波形為交流，需整流、濾波方可使用，因而限制了它在普通條件下的應用。3 傳感與傳感器技術 轉(zhuǎn)子磁場位置傳感器在無刷直流電動機中，常用的位置傳感器有以下幾種。日本松下生產(chǎn)的永磁交流伺服電動機最早采用上述新工藝，生產(chǎn)效率大大提高，產(chǎn)品體積大為減小，性能也有質(zhì)的提升。繞圈繞制完成后，再把全部磁極對接成圓，形成一個完整的定子。為此，分割型定子鐵心結構的構思提出來了。同時出現(xiàn)了適應不同性能參數(shù)永磁材料的瓦型、環(huán)型表面粘接結構和各種不同設計嵌入式磁體結構等新的轉(zhuǎn)子磁路結構。4）工藝不斷革新在電機制造方面，通過對傳統(tǒng)工藝的不斷革新，出現(xiàn)了分割型定子鐵心結構和連續(xù)繞線工藝方法。小直徑的電動機，無槽結構能獲得比有槽結構更大的轉(zhuǎn)矩指標；在特殊條件下，例如要求電動機的轉(zhuǎn)矩和功率相對不大，對電動機的體積限制不嚴，而對電動機的控制要求很高的情況下，采取無槽結構會獲得好的效果。圖11 無鐵心無刷電動機結構圖 圖12 分割型定子沖片和鐵心 典型盤式無刷電動機定子、轉(zhuǎn)子均為圓盤形，采用軸向氣隙磁場，可做成有鐵心和無鐵心兩種結構，定子繞組呈徑向分布。徑向磁場結構和軸向磁場結構均可根據(jù)要求制造成內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子結構。軸向磁場結構的電機電樞繞組徑向按一定規(guī)律分布，在專用模具中固化成形，電樞兩側均為盤狀轉(zhuǎn)子體，轉(zhuǎn)子磁體為軸向磁化，兩側轉(zhuǎn)子可同時布置永磁體磁極及轉(zhuǎn)子軛，成雙勵磁轉(zhuǎn)子結構，也可一側布置永磁體磁極而另一側布置轉(zhuǎn)子磁軛，成單勵磁轉(zhuǎn)子結構。電樞采用耐熱性能優(yōu)越的材料制成剛性整體，可以在高溫及高速情況下長期穩(wěn)定運行；由于電樞無鐵心，電感小，完全消除了鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗，消除了由齒槽效應帶來的轉(zhuǎn)矩波動，具有優(yōu)異的控制性能；運行效率高、溫升低、轉(zhuǎn)速范圍廣；電機的電樞中無齒槽且采用全塑封結構，負載動行時，噪聲及振動都很低。采用分數(shù)槽繞組的磁動勢諧波遠大于整數(shù)槽繞組，如圖10所示。對于多極的無刷電動機采用分數(shù)槽繞組，可以較少的定子槽數(shù)達到多槽能達到的效果。2）分數(shù)槽技術應用日益增多分數(shù)槽繞組技術在永磁無刷電動機中的應用已逐漸增多。2006年三季度，加拿大以電磁計算分析著名的Infolytica公司，推出了專門針對永磁無刷電機的Motorsolve設計軟件。如Ansoft公司、MagneForce公司、Jmag公司均推出各種類型的電機設計軟件，以方便快捷地完成從電機的電磁設計計算、損耗計算、優(yōu)化設計、噪聲抑制、特性分析等。這種結構的轉(zhuǎn)子制造工藝性較好。圖9c結構是在鐵心外套上一個整體稀土永磁環(huán)。對于高轉(zhuǎn)速運行的電機， mm~ mm的磁性緊圈，防止離心力將磁鋼甩出。其優(yōu)點是一個極距下的磁通由相鄰兩個磁極并聯(lián)提供，可以獲得較大的磁通。圖9a結構是在鐵心表面粘貼徑向充磁的瓦片形永磁體，有時也采用矩形小條拼裝成瓦片形磁極，以降低制造成本。圖8 盤式轉(zhuǎn)子無刷直流電動機無刷直流電動機多采用釤鈷（SmCo）和釹鐵硼（NdFeB）等稀土永磁。盤式轉(zhuǎn)子型電機的氣隙平面與軸垂直，盤式轉(zhuǎn)子與永磁磁極相向配置，電機成扁平形，可做成有槽結構，見圖8，也可以做成無槽、無鐵心結構。其結構見圖7和圖8。所以無刷電動機實際上是一種永磁同步電機，如圖6所示。常用的傳感器有接近開關、光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、霍爾元件和電流傳感器等。驅(qū)動器按其控制電路和軟件的實現(xiàn)方式可分為模擬量控制、數(shù)字模擬混合控制和全數(shù)字控制三種；按驅(qū)動方式可分為方波驅(qū)動和正弦波驅(qū)動。永磁無刷電動機有正弦波驅(qū)動和方波驅(qū)動兩種型式：驅(qū)動電流為矩形波的通常稱為永磁無刷直流電動機，驅(qū)動電流為正弦波的通常稱為永磁交流伺服電動機，按傳感類型可分為有傳感器電動機和無傳感器電動機。其中圖4和圖5是用于高精度的控制系統(tǒng)，如數(shù)控機床的進給驅(qū)動等。1 系統(tǒng)組成永磁無刷電動機系統(tǒng)是根據(jù)位置、速度和轉(zhuǎn)矩等反饋信息構成的控制系統(tǒng)，由永磁無刷電動機、傳感（傳感器）和驅(qū)動器三部分組成（見圖1）。引用 永磁無刷電動機系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀無刷電機繞組繞線機 20081129 19:55:17| 分類： 默認分類 | 標簽： |字號大中小 訂閱引用David 的 永磁無刷電動機系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 莫會成（西安微電機研究所, 西安 710077） 來源：永磁電機會議論文集，編輯：閆晶芬 摘要：永磁無刷電動機系統(tǒng)是以電機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構的電氣傳動控制系統(tǒng)。隨著電機技術、控制理論、數(shù)字脈寬調(diào)制技術、新材料技術、微電子技術及現(xiàn)代控制技術的進步，伺服系統(tǒng)經(jīng)歷了從步進伺服到直流伺服，進而到永磁無刷電機伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷程，目前已成為電機控制技術的主流方向。系統(tǒng)有開環(huán)運行、轉(zhuǎn)矩控制、速度控制和位置控制4種基本運行方式，見圖2~圖5。 圖1 永磁無刷電動機系統(tǒng)方框圖 圖2 開環(huán)運行方框圖 圖3 轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)方框圖圖 圖4 速度控制系統(tǒng)方框圖 永磁無刷電動機是通過電子電路換相或電流控制的永磁電動機。驅(qū)動器指接受控制指令、可實現(xiàn)對電動機的轉(zhuǎn)矩、速度和轉(zhuǎn)子位置控制的電氣裝置。圖5 位置控制系統(tǒng)方框圖 傳感部分的作用是檢測永磁無刷電動機的位置、速度和電流。2 結構、設計和工藝 電機結構永磁無刷直流電動機的基本結構是將永磁直流電動機的定、轉(zhuǎn)子位置進行互換，通常稱為“內(nèi)翻外”，轉(zhuǎn)子為永磁結構，產(chǎn)生氣隙磁通，定子為電樞，有多相對稱繞組，直流電動機的電刷和機械換向器被逆變器和轉(zhuǎn)子位置傳感器所代替。圖6 永磁無刷電動機結構 圖7 外轉(zhuǎn)子永磁無刷直流電動機 另外，永磁無刷直流電動機可以做成外轉(zhuǎn)子型和盤式轉(zhuǎn)子型。外轉(zhuǎn)子型電機的永磁磁極轉(zhuǎn)子位于定子的外側，轉(zhuǎn)矩脈動小，容易做成扁平型，慣量較大。這種電動機常用于FDD和CD的直接驅(qū)動等。常見的轉(zhuǎn)子結構有表面式磁極，嵌入式磁極和環(huán)形磁極3種，如圖9所示。圖9b結構是在鐵心中嵌入矩形永磁體。但結構需要作隔磁處理或者采用不銹鋼軸。緊圈材料通常采用不導磁的不銹鋼，也可以用環(huán)氧無緯玻璃絲帶縛扎。該環(huán)形磁體徑向充磁為多極，適用于小功率的電機。 設計工藝技術發(fā)展動向1） 設計手段不斷完善隨著計算機技術的發(fā)展以及電磁場數(shù)值計算、優(yōu)化設計和仿真技術的不斷完善，形成了以電磁場數(shù)值計算、等效磁路解析求解、場路結合求解等一整套分析研究方法和計算機輔助分析的設計軟件。針對無刷電機特點，提供多種轉(zhuǎn)子類型、多種繞組型式及主電路的連接方式，以便組合。圖9 無刷直流電動機轉(zhuǎn)子結構形式這些軟件除了對電機進行電磁設計，還可對電機在槽形、繞組、材料等設計變量改變情況下多方案比較分析、電磁場精確計算和電機多目標優(yōu)化設計，并包括控制電路、控制算法在內(nèi)的整個設計流程，既可以提供任意時刻電機內(nèi)電磁場分布數(shù)據(jù)，又能對電機工作時所關心的各類運行曲線，如轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流、功率、效率等提供結果，同時還能提供齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動、轉(zhuǎn)速波動等詳細指標參數(shù)，并可完成電機的各類正常工況和故障工況的仿真實驗，包括起動、堵轉(zhuǎn)、突加突減負載、突然短路等等。如在電動自行車電機中采用三相、40極、36槽；Collmorgen公司Goldline系列交流伺服電機采用4極、18槽，6極、24槽等；松下伺服電機采用6極、9槽，8極、12槽等每極每相槽數(shù)q=1/2的分數(shù)槽繞組結構。采用分數(shù)槽繞組有以下優(yōu)點：a)電機電樞槽數(shù)大為減少，有利于槽利用率的提高；b)較少數(shù)目的元件數(shù)，可簡化嵌線工藝和接線，有助于降低成本；c)有可能得到線圈節(jié)距y=1的設計（集中繞組），便于采用自動繞線機繞制，提高工效；同時各個線圈端部沒有重疊，不必設相間絕緣；d)線圈周長和繞組端部縮短，電動機繞組電阻減小，銅損隨之也減低，提高了電動機的性能。圖10 整數(shù)槽繞組與分數(shù)槽繞組（q=1/2）時的反電動勢比較3）無槽、無鐵心結構電機無鐵心無刷電動機的出現(xiàn)是采用新材料、新工藝的結果。無鐵心無刷電機可采用軸向磁場結構和徑向磁場結構。徑向磁場結構電機的電樞繞組軸向按一定規(guī)律分布成筒狀，其電樞內(nèi)、外圓處均為筒狀轉(zhuǎn)子體，轉(zhuǎn)子磁極為徑向磁化，內(nèi)、外圓可同時布置永磁體磁極及轉(zhuǎn)子軛，成雙勵磁轉(zhuǎn)子結構，也可在其中一個圓周上布置永磁體磁極，而另一圓周上只布置轉(zhuǎn)子磁軛，成單勵磁轉(zhuǎn)子結構。圖11為徑向磁場結構的無鐵心無刷電動機典型結構。無槽結構無刷電動機消除了齒槽效應，具有轉(zhuǎn)矩波動小、運行平穩(wěn)、噪聲低、電樞電感小、定位干擾力矩小等一系列優(yōu)點，成為很有發(fā)展前景的無刷電動機。國內(nèi)無槽無刷電動機已有系列產(chǎn)品，功率范圍至30 kW，最高轉(zhuǎn)速可達20 000 r/min。采用多極集中繞組，減少繞組端部長度，以適應生產(chǎn)自動化，使產(chǎn)品向低成本、低價格方向發(fā)展。對于節(jié)距y=1分數(shù)槽設計，用專用繞線機直接繞制定子線圈，對于外轉(zhuǎn)子結構的電機比較方便，但對于內(nèi)轉(zhuǎn)子結構的電機，特別是定子內(nèi)徑小的小功率電機，就要困難得多了。圖12所示為一種新型定子鐵心結構，把定子鐵心每齒分割開來，可以在鐵心展開的狀態(tài)下繞制線圈，以便隨時調(diào)整線圈，實現(xiàn)規(guī)則繞制。這時，電樞槽的利用率可達85%以上。以400 W為例，定子外徑從最早的φ125 mm減小到φ56 mm，效率由最早的70%提高到85%，溫升為80K。1）電磁式位置傳感器電磁式位置傳感器是利用電磁效應來檢測轉(zhuǎn)子位置，有開口變壓器、接近開關電路等；使用較多的是開口變壓器。2）磁敏式位置傳感器常見的磁敏式位置傳感器由霍爾元件或霍爾集成電路構成。霍爾元件所產(chǎn)生的電動勢很低，往往需要外接放大器，很不方便，隨著半導體技術的發(fā)展，將霍爾元件與附加電路封裝成三端模塊，構成霍爾集成電路。