數(shù)字化無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，或者按業(yè)內(nèi)習(xí)慣叫做數(shù)字化永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（永磁交流伺服系統(tǒng)），無(wú)疑已成為當(dāng)代運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域伺服驅(qū)動(dòng)的主流產(chǎn)品和發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)外各大伺服驅(qū)動(dòng)廠商和電機(jī)制造商，在上世紀(jì)90年代就都發(fā)展完成了通用永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的系列產(chǎn)品。額定功率一般在50w～20kw之間，轉(zhuǎn)速一般在1000～3000r/min之間。國(guó)產(chǎn)伺服系統(tǒng)由研究所及高校研發(fā)的起步時(shí)間并不比國(guó)外晚，進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域則較晚。以有代表性的珠海運(yùn)控電機(jī)有限公司為例，最早生產(chǎn)自己設(shè)計(jì)的伺服電動(dòng)機(jī)是在2000年，2003年初步形成50w～5kw的伺服系統(tǒng)系列產(chǎn)品，2006年開始向完整化、完善化系列產(chǎn)品和逐步量產(chǎn)方向發(fā)展。表明國(guó)產(chǎn)伺服系列產(chǎn)品即將進(jìn)入發(fā)展的新階段，能更好地滿足廣泛用戶的需求。但是在發(fā)展國(guó)產(chǎn)伺服系列產(chǎn)品過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，由于運(yùn)控系統(tǒng)所涉及的領(lǐng)域極其廣泛，對(duì)伺服系統(tǒng)的要求千變?nèi)f化，十分多樣，所以在基本系列產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，還要根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的要求，不斷拓展要求相對(duì)特殊一些的產(chǎn)品，更好地滿足廣泛的市場(chǎng)需要，這也是我們發(fā)展產(chǎn)品的重要思路之一[1]。本文介紹的是應(yīng)用于數(shù)控鞋楦機(jī)中高速伺服系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例。 我國(guó)是世界頭號(hào)制鞋大國(guó)，鞋類產(chǎn)品的產(chǎn)量和出口量一直穩(wěn)居世界之首。制鞋業(yè)的發(fā)展使得與之不可分割的鞋楦業(yè)迅速發(fā)展，相應(yīng)地也出現(xiàn)了數(shù)控鞋楦機(jī)，或通常所說(shuō)的電腦鞋楦機(jī)。鞋楦機(jī)用來(lái)加工鞋楦模型，它的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括四個(gè)坐標(biāo)，如圖1所示。其中θ軸帶動(dòng)工件轉(zhuǎn)動(dòng)，x、y和θ三軸運(yùn)動(dòng)合成了鞋楦模型的輪廓;r軸帶動(dòng)刀桿旋轉(zhuǎn)，完成切削加工。前三軸是典型的位置伺服系統(tǒng)，選用基本系列的適當(dāng)型號(hào)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(jù)加工對(duì)象材質(zhì)不同，保持適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)就可以了。由于鞋楦模型的材質(zhì)以塑料為主，要求刀具以高速轉(zhuǎn)動(dòng)，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(guò)程中也不能因?yàn)榍邢髁Φ淖兓罐D(zhuǎn)速有明顯的波動(dòng)?；鞠盗械慕涣魉欧到y(tǒng)中，沒有這么高速的規(guī)格品種，所以現(xiàn)有的數(shù)控鞋楦機(jī)中，只有三個(gè)軸采用了交流伺服系統(tǒng)[2]，刀桿的傳動(dòng)則采用標(biāo)準(zhǔn)的異步電動(dòng)機(jī)，看到的一個(gè)實(shí)例是用一臺(tái)普通的四極異步電動(dòng)機(jī)，經(jīng)1:5升速帶動(dòng)刀桿旋轉(zhuǎn)，刀桿轉(zhuǎn)速約7000r/min。這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)不緊湊，轉(zhuǎn)速偏低，而且不穩(wěn)定，使得表面加工質(zhì)量差。如果采用交流伺服系統(tǒng)，雖然用不著它的位置伺服功能，但是它的速度環(huán)和電流環(huán)，可以保證速度很穩(wěn)定，即使負(fù)載變化也影響很小，而且在多頭鞋楦機(jī)中完全能保證多頭加工工件形狀和表面質(zhì)量的一致，將帶來(lái)數(shù)控鞋楦機(jī)的突破性進(jìn)展，可見為此在基本系列之外專門開發(fā)一款高速伺服系統(tǒng)是有價(jià)值的。 [font=黑體][color=black]設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù) [/color][/font]　　帶動(dòng)數(shù)控鞋楦機(jī)刀桿轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行切削加工的伺服電動(dòng)機(jī)，采取每個(gè)單頭的刀桿獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的方式，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，其基本技術(shù)要求大致確定為:額定轉(zhuǎn)速nn=9500r/min;額定功率pn=1000w。 高速永磁電動(dòng)機(jī)一般而言，會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度要求提高，對(duì)軸承的要求提高，會(huì)引起噪聲振動(dòng)問(wèn)題，會(huì)引起機(jī)械損耗、鐵心損耗增大和溫升提高問(wèn)題等[3]。伺服電動(dòng)機(jī)更要考慮采用高速編碼器的問(wèn)題。對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器則沒有原則性的影響。 　　基本系列伺服系統(tǒng)采用的位置傳感器是通用的增量型光學(xué)編碼器，以2500線為主。從脈沖頻率極限及機(jī)械強(qiáng)度角度出發(fā)，這類編碼器的最高轉(zhuǎn)速都限于5000r/min，不能適應(yīng)所述高速伺服系統(tǒng)的要求。位置傳感器改選用ts2620n21e11型旋變，它的最高轉(zhuǎn)速為30000r/min，完全可以滿足需要。同時(shí)采用了配套的解碼芯片au6802n1，它可提供旋變所需的勵(lì)磁信號(hào)，將旋變的輸出信號(hào)解調(diào)并轉(zhuǎn)換成不同類型的數(shù)字信號(hào)，包括與增量型光學(xué)編碼器一樣的數(shù)字信號(hào)，應(yīng)用起來(lái)很方便[4]。 　　在轉(zhuǎn)速不是很高，在10000r/min左右時(shí)，軸承無(wú)需采用特殊冷卻方式，仍可采用自帶油脂潤(rùn)滑的普通軸承就可以了。只是在負(fù)荷容許的情況下，適當(dāng)采用尺寸偏小的軸承，在裝配時(shí)選用合適的軸承室和軸承檔配合尺寸。 　　永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子，多數(shù)情況下采用表面永磁體結(jié)構(gòu)，永磁磁極通常用膠粘在轉(zhuǎn)子磁軛表面。高速電機(jī)中需采用非導(dǎo)磁金屬護(hù)套，或用無(wú)緯玻璃絲帶纏繞后加環(huán)氧膠固化。我們生產(chǎn)的基本系列產(chǎn)品，永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，逐步已改為內(nèi)置永磁體（ipm）結(jié)構(gòu)，從機(jī)械強(qiáng)度角度看，完全適應(yīng)高速電動(dòng)機(jī)的要求，可靠性更高。 　　內(nèi)置永磁體結(jié)構(gòu)對(duì)改善齒槽定位轉(zhuǎn)矩有明顯好處[5]，對(duì)轉(zhuǎn)子質(zhì)量對(duì)稱分布有利，有益于降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，改善電動(dòng)機(jī)的噪聲和振動(dòng)，這對(duì)高速電動(dòng)機(jī)尤為重要。 　　基本系列伺服電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)的特點(diǎn):通常都是采用高性能的永磁體材料，一般為燒結(jié)ndfeb;高有效材料利用率，即采用高的電、磁負(fù)荷;大都為三對(duì)極或四對(duì)極機(jī)構(gòu)，以獲得其高功率（轉(zhuǎn)矩）密度和高響應(yīng)特性，筆者的設(shè)計(jì)也不例外，基本上都是四對(duì)極結(jié)構(gòu)。四對(duì)極永磁電動(dòng)機(jī)在9500r/min時(shí)，電磁頻率為633hz，已進(jìn)入中頻（≥400hz）范圍，按照通常認(rèn)為鐵心損耗[img=53,22]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wmf93.jpg[/img]計(jì)算，將為工頻（50hz）時(shí)的27倍，可見標(biāo)準(zhǔn)的電磁設(shè)計(jì)會(huì)使得鐵損太大，溫升過(guò)高，無(wú)法承受。也就是說(shuō)降低電動(dòng)機(jī)的鐵心損耗將成為高速伺服電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。 [font=黑體][color=black]提高轉(zhuǎn)速的改型設(shè)計(jì) [/color][/font]　　改型設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是充分利用基本系列的基礎(chǔ)，盡可能少的改變基本系列的零部件設(shè)計(jì)，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(shí)沒有簡(jiǎn)便的方法能達(dá)到改型的目標(biāo)時(shí)才為之，正因?yàn)槭艿竭@些實(shí)際考慮的限制，所獲得的改型設(shè)計(jì)方案不大可能是比較理想的設(shè)計(jì)，只能是一個(gè)可用的，但總體是較為經(jīng)濟(jì)的方案。 　　改變額定轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)相當(dāng)簡(jiǎn)單，在其他都不變的條件下，只要改變繞組的匝數(shù)就可以了。在電源電壓不變的情況下，讓額定轉(zhuǎn)速時(shí)的相電勢(shì)不變就可以，即電勢(shì)系數(shù)ke1與額定轉(zhuǎn)速nn成反比，也就是相繞組的有效串聯(lián)匝數(shù)n與nn成反比。 　　設(shè)改型要求的額定轉(zhuǎn)速: [img=59,22]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wmf94.jpg[/img]（1） 　　可取改型電機(jī)的匝數(shù): [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(dǎo)體的截面積（[img=21,24]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wmf96.jpg[/img]）應(yīng)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(shí)際上因?yàn)楸３至穗妱?dòng)機(jī)的電磁負(fù)荷（磁密和線負(fù)荷）未改變，電磁轉(zhuǎn)矩tn便相同，輸出功率pn便隨轉(zhuǎn)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(shí)際上揭示了電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的一條基本規(guī)律，即電動(dòng)機(jī)的體積決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，功率則與轉(zhuǎn)速直接有關(guān)。但是這條規(guī)律只有當(dāng)轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)才適用，轉(zhuǎn)速超出一定范圍時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)損耗功率的增加，特別是鐵心損耗的增大，使電機(jī)的溫升超出容許值而不便于實(shí)現(xiàn)。 　　事實(shí)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(zhuǎn)速升高時(shí)磁場(chǎng)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(rèn)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(shè)計(jì)的角度，一定幾何尺寸的電動(dòng)機(jī)可以獲得一定的轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)的輸出功率隨轉(zhuǎn)速成正比增加，但是它會(huì)受到發(fā)熱的限制。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值，電機(jī)的總損耗超出容許值時(shí)，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(zhuǎn)速相當(dāng)高的情況下，電動(dòng)機(jī)的鐵損耗（加上機(jī)械損耗）已經(jīng)超出發(fā)熱的容許值時(shí)，電動(dòng)機(jī)便沒有帶載能力，僅改動(dòng)繞組匝數(shù)的改型設(shè)計(jì)便無(wú)法實(shí)現(xiàn)。 　　這時(shí)需考慮采取降低鐵損耗的措施，主要的方法應(yīng)有:降低鐵心內(nèi)的磁密，降低磁場(chǎng)交變頻率;采用損耗更低的硅鋼片牌號(hào)或厚度更薄的硅鋼片。結(jié)合本改型設(shè)計(jì)實(shí)例，選擇的原型是92bl（3）d100-30h（st）型電動(dòng)機(jī)，這是一臺(tái)pn=1000w，nn=3000r/min，8個(gè)極的電動(dòng)機(jī)。由于基本系列電動(dòng)機(jī)已采用了冷軋無(wú)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(xiàn)實(shí)，減少極數(shù)，例如將原8極電機(jī)改為4極電機(jī)，應(yīng)是一個(gè)較有潛力的辦法，但應(yīng)考慮到多極電機(jī)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(shù)，則因每極磁通量增大而使軛部磁密過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致鐵損耗劇增，以至看不出降低頻率的作用。本改型設(shè)計(jì)實(shí)例就是人為地減小極弧系數(shù)，使軛部磁密不增加，配以合適的繞組匝數(shù)就可以達(dá)到目的。[/align][b][color=black][font=黑體]鐵損耗實(shí)驗(yàn)示例[/font] [/color][/b]　　被測(cè)試電動(dòng)機(jī)是原型電動(dòng)機(jī)僅改變了繞組匝數(shù)的電動(dòng)機(jī)，原型就是前述的92bl（3）d100-30h（st）型電動(dòng)機(jī)。由于磁系統(tǒng)沒有任何變化，所以在相同轉(zhuǎn)速下的鐵損耗不變，空載損耗也基本不變。電動(dòng)機(jī)不帶負(fù)載，在速度開環(huán)情況下，調(diào)節(jié)外加的直流電源電壓，便可測(cè)得不同轉(zhuǎn)速下空載運(yùn)行的數(shù)據(jù)，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(dòng)機(jī)在該轉(zhuǎn)速下空載運(yùn)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(yùn)行時(shí)的電磁功率為: 　　pe0=p0－pcu0 （9） 　　電磁轉(zhuǎn)矩與空載損耗轉(zhuǎn)矩相平衡為: [img=49,37]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wm101.jpg[/img]（10） 　　轉(zhuǎn)子角速度: [img=52,32]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wm102.jpg[/img]（11） 　　實(shí)測(cè)的空載損耗轉(zhuǎn)矩與角速度的關(guān)系如圖2中曲線（1）所示。不考慮轉(zhuǎn)速相當(dāng)?shù)偷牟糠謺r(shí)，可以用一條直線（2）來(lái)擬合，表達(dá)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(zhuǎn)矩部分，主要包括機(jī)械干摩擦轉(zhuǎn)矩和鐵心磁滯損耗轉(zhuǎn)矩;[img=14,19]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wm106.jpg[/img] 為粘滯摩擦系數(shù)，[img=25,19]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wm107.jpg[/img]為粘滯摩擦損耗轉(zhuǎn)矩，實(shí)際上主要反映的是鐵心渦流損耗轉(zhuǎn)矩，空氣和軸承油潤(rùn)滑的粘滯摩擦轉(zhuǎn)矩只占很小部分，必要時(shí)可以由帶未曾充磁轉(zhuǎn)子的電動(dòng)機(jī)測(cè)出。 　　附表數(shù)據(jù)表明，8極原型電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速nn=3000r/min時(shí)，空載總損耗為31.1w，僅占額定功率的3.11%，對(duì)高性能伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)是恰當(dāng)?shù)闹?。該電?dòng)機(jī)在工廠實(shí)驗(yàn)室常用的支架上測(cè)試時(shí)得，電動(dòng)機(jī)的表面散熱系數(shù)（自然冷卻）約為1.68w/℃，所以3000r/min時(shí)電機(jī)表面溫升應(yīng)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(fù)載。 　　當(dāng)轉(zhuǎn)速升至額定轉(zhuǎn)速的2倍（6000r/min）時(shí)，空載總損耗增加至95.12w，約為nn時(shí)的3倍。轉(zhuǎn)速升到3nn（9000r/min）時(shí)，p0增加至175.35w，約為nn時(shí)的5.6倍，機(jī)殼表面溫升將達(dá)到: [/align][align=left][img=109,30]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wm110.jpg[/img]℃ （15） 　　加上環(huán)境溫度，已超過(guò)b級(jí)絕緣繞組的容許溫度，已沒有帶負(fù)載的任何余量。對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，提高它的絕緣等級(jí)，采用耐高溫的軸承潤(rùn)滑脂和永磁材料，還可以允許更高一些的溫升，但電動(dòng)機(jī)溫度過(guò)高，傳遞到銑削刀具，將嚴(yán)重影響工件表面加工質(zhì)量，所以僅改變繞組匝數(shù)的改型設(shè)計(jì)方案是不可取的。 　　減少極數(shù)的改型電動(dòng)機(jī)型號(hào)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(zhuǎn)速[img=72,16]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/servo2007-1/___wm111.jpg[/img]，轉(zhuǎn)子為4極結(jié)構(gòu)，ndfeb永磁體磁極有較小的極弧系數(shù)。用同樣的方法做空載實(shí)驗(yàn)，在意料之中的是，以鐵損耗為主的空載損耗與8極電動(dòng)機(jī)相比，有明顯的下降。實(shí)測(cè)其空載損耗轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖3中（1）｀所示，在高于一定轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)可以用直線（2）｀來(lái)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(dòng)機(jī)的鐵損耗明顯下降，以轉(zhuǎn)速9000r/min時(shí)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(dòng)機(jī)的帶載留下了一定的余量。改型電動(dòng)機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，實(shí)際工作轉(zhuǎn)速為9500r/min，由于在實(shí)際系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)是間歇工作狀態(tài)，用戶還加了輔助的風(fēng)冷，所以電動(dòng)機(jī)工作時(shí)溫升不高，不會(huì)對(duì)工件產(chǎn)生影響，可靠性也很好，滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。[/align][font=黑體][color=black]結(jié)語(yǔ) [/color][/font]　　本文以鞋楦機(jī)銑削刀具運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的要求，介紹了高速伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的一種實(shí)例，討論了高速伺服電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，特別是改型設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵和實(shí)際問(wèn)題。給出了電動(dòng)機(jī)以鐵損耗為主的空載損耗與轉(zhuǎn)速關(guān)系測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)例，給出滿足鞋楦機(jī)刀具運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)要求的改型電動(dòng)機(jī)實(shí)例。