驱动方式对永磁伺服电机性能的影响

万启春 ,吴林玫 ,张涛 ,邱俊豪 ,李满舟 ,肖平欢

摘要：永磁伺服电机输出额定转矩期间，电机性能的发挥会受到驱动的影响，所以需要深入探究驱动方式对性能的影响。因此本文对驱动方式对永磁伺服电机性能的影响进行了探讨。

关键词：驱动方式；永磁电机；影响

1永磁电机

永磁电机又称永磁同步电机，多是永磁变频电机，由永磁体激磁，无励磁绕组，不存在励磁损耗。

永磁变频电机与普通电机(或者说普通三相异步电动机)相比，不存在电励磁和相应的损耗，永磁转子不发热，电负荷可以选得很高，因而体积小、功率密度高。

随着新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁电机性能得以进一步提升，优势如下：

1.1高效节能

因励磁磁场由永磁体提供，永磁转子不需要励磁，效率可高达90%以上。永磁电机与异步电机相比，高效率运行转速范围宽，节能显著。尤其在低转速运行时，优势更加明显。

1.2温升低

转子无电励磁意味着无损耗发热，因此，永磁电机一般温升很低。

1.3起动性能好

由于永磁电机正常工作时转子绕组不起作用，因而在设计时可使转子绕组完全满足高起动转矩的要求，例如从1.8倍上升到2.5倍，甚至更大。

1.4功率因数高

对电网运行的影响在于异步电机要从电网中吸收大量的无功电流，造成电网输变电系统有大量无功电流，进而使电网的品质因数下降，加重输变电设备及发电设备的负荷。

同时，无功电流在电网即输变电系统中均要消耗部分电能，造成电力电网运行效率低下，再与异步电机效率低、从电网多吸收电能的情况叠加，电能量损失加剧，电网负荷愈发加重了。

永磁电机转子无电励磁、功率因数高的独特优势，有助于提高电网的品质因数或使电网中不再需安装补偿器。功率因数提高还可以增加变压器的利用率。

1.5功率密度高

由于使用了高性能的永磁材料提供磁场，使得永磁电机的气隙磁场较普通电机大大增强，而永磁电机的体积和重量较普通电机则大大缩小，重量轻。电机可以按普通电机及小一到两个机座号尺寸设计及安装，在节能改造升级方面使用非常方便。

2驱动方式对永磁伺服电机性能的影响

2.1不同驱动方式对电机性能的影响

转矩脉动是影响电机运行性能的一个重要指标，其产生原因主要是定子齿槽、反电动势波形等对永磁电机产生一定影响。但是，永磁电机运行期间，矩形波驱动力会受到换向的影响，进而出现一些异常，其以换向转矩脉动为主。因此，人们应对不同驱动方式实施分析，探究驱动对电机转矩脉动的影响。此外，电机性能评价与运行之间有较大关系，其性能评价可反映实际运行性能，主要采用转矩脉动系数完成评价，其转矩脉动计算公式如下：

(1)

式中，Ti、Ta分别是转矩脉动最大值、最小值的转矩平均值；n为其周期数。无刷直流电机在运行期间有额定负载值，其最大与最小转矩分别为是54.5N•m和42.1N•m，其平均转矩与转矩脉动系数分别是48.2N•m、18.2%。永磁同步电机在额定负载环境下运行时，最大与最小转矩是49.8N•m与46.1N•m，平均转矩是48N•m，转矩脉动系数是5.4%。由此可以看出，无刷直流电机转矩脉动系数相对较大。永磁电机运行期间，最大转矩与永磁电机过载能力有较大关系，能够有效体现出电机运行的性能指标。在分析不同驱动方式下电机的最大转矩时，电机转速调节主要采用永磁无刷直流电机调压方式，其与驱动控制器母线电压之间有较大关系。除此之外，正弦波永磁同步电机最大转矩与电机运行功角之间有一定相关性，主要通过式(2)表示：

(2)

式中，ω、θ分别为永磁电机电角速度、电机功角；U、m、p分别为电枢绕组相电压、绕组相数、极对数；E0、Xd分别为空载感应电势与直轴电枢电抗。一般情况下，永磁电机转矩最大值是135N•m。无刷直流电机与正弦波永磁同步电机的过载能力较为接近，但是无刷直线电机脉动大于其他电机。由于电机应用环境和电机类型的差异，其对环境的适应能力有所不同，人们需要合理选择驱动方式。

2.2不同驱动方式对电机电流的影响

在不同环境中运行时，永磁电机采用的驱动方式有较大差异。永磁电机导通关断时间与顺序存在差异，会使绕组电流产生一定变化，由此可以看出，驱动方式不同，产生的电流也不相同。永磁电机运行时，电流会出现一定改变，但是电流改变存在规律。其中，无刷直流电机采用两两导通的驱动方式，不同时间段无电流、有导通，并且存在两相导通，同时电路被驱动换向，电流换向时会产生一定波动，导致电流产生畸变。正弦波永磁同步电机运行期间，不同时间段三相绕组均有导通，其间谐波作用被忽略，能够体现出电流的正弦波。

2.3不同驱动方式对电机损耗的影响

电机在运行过程中会产生一定损耗，损耗能够反映出电机性能指标。节能电机能够降低运行损耗，需要合理选择驱动方式，但是受电源谐波的影响，电机损耗会出现改变。电流会受到电枢绕组的影响，随着电阻升高，产生的损耗增加。无刷直流电机运行时存在两相导通，正弦波永磁同步电机有三相导通。但是，无刷直流电机运行期间，电流会流向三相绕组。有限元计算期间，无刷直流电机与正弦波永磁同步电机损耗有所差异，其中无刷直流电机损耗较大。在一定驱动方式下，永磁电机的定子铁心磁密最大值是1.93T，但是存在电枢反应，导致气隙磁场产生一定畸变。定子铁芯损耗可以通过式(3)进行计算。

(3)

式中，Piron为定子铁芯损耗；kh、kc、ke分别为磁滞损耗系数、经典涡流损耗系数和异常损耗系数；Bm为磁密幅值；f为频率。分析发现，如果损耗系数与频率相同，随着铁耗值的增加，磁密幅值会逐渐上升。在额定转矩输出的过程中，谐波磁场与磁密会产生不同变化，其中无刷直流电机的定子铁心损耗是136W，正弦波永磁同步电机铁心损耗是120W。永磁电机运行期间，电流中出现谐波，气隙磁场有一定斜坡，受斜坡的影响，护套表面会产生一定涡流电密损耗。其中，无刷直流电机涡流电密最大值大于正弦波永磁同步电机。由此可以看出，无刷直流电机涡流损耗比正弦波永磁同步电机涡流损耗大。

3实验验证

为了验证驱动方式对电机性能的影响，本文建立了永磁电机测试平台，对电机的电流进行测试。由于本实验为验证仿真结果与实验结果的正确性，因此仅对正弦波驱动下的永磁电机进行测试。本实验采用加州仪表AmetekMX30变频电源、Magtrol测功机、YOKOGAWA功率分析仪、工业冷水机组、DSP数据采集系统以及永磁电机等设备，对电机电磁场进行测试。并将实验数据与仿真结果进行对比，得出负载25/Nm，实验电流10.62/A，仿真电流10.23/A时，变化率为3.8%；负载36.4/Nm，实验电流15.3/A，仿真电流15.4/A时，变化率为0.6%；负载46.3/Nm，实验电流19.57/A，仿真电流19.1/A时，变化率为2.4%。通过数据对比分析得出永磁电机在不同负载情况下，实验电流与仿真电流基本一致，误差均在5%以内，符合工程实际要求。

4结束语

本文在概述永磁电机的基础上，分别从电机性能、电机电流、电机损耗3个方面探讨驱动方式对永磁伺服电机性能的影响，并通过实验平台，通过驱动控制器对电机进行实验，并对比分析实验结果与仿真结果，验证了理论的可行性。

参考文献

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[2]徐勇，张智华，龚旭，李胜永.基于内模控制器的直流伺服电机速度控制方法[J].中国工程机械学报，2021，19(3):222-226.