论直流伺服电机的设计研究.docx

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论直流伺服电机的设计研究

直流伺服电机的设计研究

【摘要】

本文主要探讨的是直流伺服电机的设计原理及特点，并对伺服电动机的工艺进行了分析和设计。

在本文中结合相关资料对伺服电机及伺服系统的发展做了一些阐述，并列举了当前国内外一些公司先进伺服伺服系统的成型技术及产品不对这些比较先进产品的性能做了一些描述。

按照直流伺服电机的的一些设计特点具体针对SZ—36型直流伺服电动机进行了电磁部分的计算和工艺部分的分析及设计。

关键词：

直流伺服电动机电磁计算工艺规程

【Abstract】

Thearticlemainlyresearchesintotheprincipleofdesignandnatureofthemotor,alsodosomeanalysisanddesignofitstechnology.Inthisarticlewhichconnectswithrelatedmaterial,thedevelopmentofthemotorandservosystemaredefined,technologyandproductfromsomeadvancedforeigncompaniesanddomesticcompaniesarelistedandthecapabilityofthesemoreadvancedproductsarealsodescribed.Accordingtosomecharacterofthedesignonmotor,thearticledoesanalysisanddesignoftechnologyandelectromagnetismcounting,Alltheseaimatsz-36typeofmotor.

Keywords:

DirectcurrentservomotorElectromagnetismcountingTheregulationoftechnology

第1章绪言

1.1伺服电动机基本原理、分类

分类

伺服电动机按其使用的电源性质不同一，可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类，其中直流伺服电机分为传统型和低惯量型两种类型。

传统型直流伺服电动机就是微型的他励直流电动机，也是用定转子两部分组成，按定子的种类可以分为两种：

永磁式和电磁式。

低惯量型直流伺服电动机的明显特点是转子轻，转动惯量小，快速响应好。

按照电枢形式的不同分为：

盘形电枢直流伺服电动机、空心杯永磁式直流伺服电动机和无槽电枢直流伺服电动机

基本原理

直流伺服电动机是指使用直流电源的伺服电动机，实质上是一台他励式直电动机，又称为执行电动机，是将输入的信号（控制信号）转换为轴的角位移或角速度输出。

直流伺服电机按励磁方式不同可分为：

电磁式和永磁式两大类，其基本结构与普通小型直流电动机基本相同。

直流伺服电动机的控制方式分为：

电枢控制和磁极控制两种。

电枢控制时，控制信号施加于电枢绕组回路，励磁绕组接于恒定电压的直流电源上。

磁极控制时，控制信号施加于励磁绕组回路，而电枢绕组接于恒定电压的直流电源上.它们的接线图如图

（1）。

下面分析电枢控制的直流伺服电动机的运行特性。

图1为接线原理图。

为了便于分析，假设：

（1）

电机磁路不饱和；

（2）不计负载时电枢反应的去磁影

响，同时采用标幺值。

因Uf=常值，故气隙磁通Φf∞If∞Uf,即

Φf=CfUf（式中，Cf为比例常数）

当电枢绕组接到控制电压U时，即产生电枢电流Ic,

Ic与Φf互相作用产生电磁转矩Mem为

Mem=CMΦfIc=CMCfIcUf

在电枢转矩Mem作用下，电机将立即驱动起来，若控制电压消失，则Ic=0，Mem=0电机立即停转。

当改变控制电压极性时，则Ic方向改变，随之电磁转矩方向改变，电机反转。

当改变控制电压大小时，则直流伺服电动机相当于改变电枢电压的调速状态。

控制方法

当电动机负载转矩TL不变，励磁磁通Φ不变时，升高电枢电压Ua，电机的转速就升高，反之，降低电枢电压U，转速就下降。

在Ua=0时，电机则不转。

当电枢电压的极性改变时，电机就反转。

因此，可以把电枢电压作为控制信号，实现电动机的转速控制。

电枢电压Ua控制电动机转速变化的物理过程如下：

开始时，电动机所加的电枢电压为Ua1，电动机的转速为n1,产生的反电动势为Ea1，电枢中的电流为Ia1，根据电压平衡方程式，则

Ua1=Ea1+Ia1Ra=CeΦn1+Ia1Ra

这时，电动机产生的电磁转据T=CTΦIa1。

由于电动机处于稳态，电磁转矩T和电动机轴上的总转矩Ts相平衡，即T=Ts。

如果保持电动机的负载转矩TL不变也即阻转矩不变，而把电枢电压升高到Ua2，起初，由于电动机有惯性，转速不能马上跟上而仍为n1,因而反电动势仍为Ea1。

由于Ua1升高Ua2到而E不变，为了保持电压的平衡关系，Ia1应增加到Ia，因此电枢转矩也应由T增加到T‘，此时电动机的电磁转矩大于总电阻转矩Ts，使电动机得到加速。

随着电动机的转速的上升，反电势Ea增加。

为了保持电压平衡关系，电枢电流和电磁转矩都要下降，直到电枢电流恢复到原来的数值，使电枢转矩和总阻转矩重新平衡时，才达到稳态。

但这是一个更高转速n2时的新的平衡状态。

这时电动机转速n随电枢电压Ua升高而升高的物理过程。

为清晰起见，把这个过程用下列符号表示：

（由于n来不及变，Ea暂不变）

UaIaT

（由于Ts不变）当T=Ts时达到稳

nEaTn2

用相同的方法可以分析电枢电压Ua降低时，转速n的下降过程。

1.2直流伺服电动机的应用、意义

直流电动机具有良好的起动性能和调速性能，因此，广泛地用于驱动轧钢机、金属切削机床、起重设备和电气机车中，它尤其适用于高精度、高性能地电力拖动系统。

近年来，世界各国的机械制造业都处在数量化、数控化、自动化和半自动化的潮流中。

微电子技术的应用，尤其是微型计算机的普及，给数控化生产才来了很大的发展空间。

作为高精度伺服元件的伺服电机被广泛地应用在数控机床、机器人、雷达跟踪、冶金机械、纺织机械等各个领域。

据统计，美国市场对直流电机的需求以每年21℅的速度递增，导致这一现象的根本原因是自动化设备的高速发展和电子计算机外围设备的不断扩大，其次是军事设备电子化的发展趋势和电子玩具的应用。

在我国，70年代才开始这方面的研究。

现已基本上形成了系列产品电机可同轴装配的高灵敏度直流发电机和脉冲编码器，广泛应用于各种自动化控制系统。

为我国数控机床及机床行业产品的更新、旧机床的改进提供了可靠的执行元件，它对提高加工质量和精度，大幅度降低废品率和成本起很大的作用。

我国现在有大量的机床需改进、更新，因此有很大的市场。

1.3国内外现状和发展趋势

在现在伺服系统中无论是交流伺服还是直流伺服都获得了广泛的应用，在电力拖动系统中也大有传统的液压、直流、步进和AC变频被基于稀土永磁交流永磁伺服系统所取代的趋势。

采用了新技术和新材料而制造出来的新的型号也层出不穷，在交流伺服方面有：

YASKAWA交流伺服系统，该系统由安川电机株式会社（日本）YASKAWAElectricCorporation研制。

其主要技术特点有：

高速、高精度的运转；安装简易；配线数减少为原来的1/2；参数设定内藏；扩展性、灵活性更充实；耐振性提高；平均无故障时间达400000小时以上；具有高速高精度的运转特性；采用速度observer控制；最高回转速度5000r/min；马达速度波动更小；定位时间缩短了1/3；安装十分简单；可自动判别伺服马达的容量及形式，并设定马达参数；配线数减少为原来的1/2从驱动器本身可直接设定参数转矩控制、速度控制、位置控制三机一体；主回路/控制回路的电源完全分离；Win软件再现监测方便检查；设置外加回生电阻的接线端子；马达规格多，对应CE、UL规格；提高了保护构造、耐震性；内置DC电抗器接线端子。

全数字交流伺服电机系统该系统由北京和利时电机技术有限公司BeijingHollySysElectricTech.Co.,Ltd.自主开发。

全数字交流伺服系统采用全新设计,通过改进电机结构和采用先进的材料,为更加快速、准确、稳定地控制机械设备创造了良好条件。

在全数字控制方式下,实现了伺服控制的软件化，通过采用智能控制算法使系统响应速度、稳定性、准确性和可操作性都达到了很高的水平.适用于高动态响应、精密定位、精密调速的场合。

电机采用正弦波磁路设计，运行平稳，低噪声。

采用高能密度设计和高性能永磁材料，体积小，转矩大，效率高。

采用高热容技术设计，电机温升低。

启动转矩大、过载能力强。

采用高分辨率编码器反馈。

速度/位置/电流全数字化闭环控制，高动态响应和位置精度。

三种控制模式：

脉冲串、模拟电压、数字键盘设定。

采用位置脉冲/方向输入方式，可取代步进电机达到功能升级。

内置键盘及LED数码管显示。

内置电子齿轮控制功能。

自动增益调整功能。

保护功能完善。

内/外置制动回馈能量吸收电路。

RS-232通讯接口，可通过与PC机联接，进行伺服控制参数设定与监控。

具备CANBUS接口，方便实现网络通讯控制。

直流伺服电机中有：

SEM直流伺服电机，SEM直流伺服电机是一种性能优良的由英国SEM直流伺服公司研制。

其主要技术指标有：

输出扭矩0。

5Nm-37Nm，对于高低压驱动器均适用，具有最优电流速度特性，所有MT马达按标准均配备高精度的测速发电机。

最高转速：

1400-5000RPM，型号MT20/30/40/52编码器可选。

中国台湾仕彰直流伺服驱动器具有转矩控制应用和多功能速度控制，具有过载、超温、过压、断电等保护功能，还具有异常跳脱，TG故障等全方位人机操作安全保护特形装置，同类DC伺服中最优性价比。

IRT直流伺服系统、定位型和速度型可选，输入指令可切换为位置、速度及转矩不同控制模式。

属欧规高速马达驱动系统，选配英国SEM马达，最高转速可达6000转/分，出力大，

托架式安装，带12+电子过载保护PWM正弦波，16KHZ斩波频率可调式电流限定，适用50/60HZ，110V/220V电源内置滤波器和滑差补偿适用于输送机，给料器，包装设备，印刷设备等。

BL系列永磁无刷直流调速系统该系统由北京和利时电机技术有限公司BeijingHollySysElectricTech.Co.,Ltd.研制。

主要技术指标有：

0～15000转/分大范围内无极调速；低速扭矩大，运行平稳；低噪音，高效率；DSP芯片为内核，驱动器数字化、智能化。

BL系列永磁无刷直流电动机驱动单元使用交流220V电源供电，采用PWM技术实现无级调速，适用于多种需要调速的应用场合。

永磁无刷直流电机与普通直流电机的运行性能类似，不同的是永磁无刷直流电机没有电刷和机械换相器，因此消除了机械换相器所带来的一系列弊病。

成为当今受关注和发展非常迅速的一种新型电动机。

无刷直流电机调速系统包括：

（1）永磁无刷直流电机：

转子为具有多对磁极的永磁体、定子绕组为三相星接。

（2）功率驱动：

全数字控制功率电路。

（3）位置传感器（装于电机内部）：

开关型双极性霍尔传感器，用于检测电机转子位置，同时提供电机转速信号。

新型永磁无刷直流电机主要优越性：

（1）电机可以无级调速，工作转速范围很大，可满足各种运行模式下的转速要求。

（2）永磁无刷直流电机可以在超低转速保持输出力矩，这一点超越了交流变频器的性能，所以新型永磁无刷直流电机完全可以取代小功率交流变频调速系统。

（3）永磁无刷直流电机起动力矩大，几乎不受电网电压波动的影响。

（4）由于采用了永磁材料，永磁无刷直流电机比交流变频系统效率还要高。

（5）永磁无刷直流电机温升较低，与同功率交流电机相比温升可低30%左右，因而其寿命要大大高于交流电机。

（6）永磁无刷直流电机运行平稳、噪音低。

第2章设计方案和论证

2.1伺服电机的设计特点和材料选择

直流伺服电动机的设计与一般小型直流电动机基本相同。

但是为了满足伺服系统对伺服电动机的要求在参数选择和材料选择等方面又具有它自己的特点。

其主要设计特点有：

1为了减少转子的转动惯量，降低机电时间常数，常选用细长的电枢。

2为了改善起动性能，一般在电枢上扭斜一个槽距。

3为了减少铁耗，磁极铁心采用硅钢片或低碳钢板叠成。

4为了减少励磁电流变化是对电机性能的影响，磁路的额定点设计在饱和处。

5为了使伺服电动机正、反转时特性对称，电刷安放在中性点上。

伺服电动机系统要求速率的平稳性很高。

影响平稳性因素有机械轴承、无刷直流力矩电机。

干扰力矩主要有磨擦力矩和无刷直流电动机的波动力矩。

磨擦力矩影响低速时速率平稳，引起低速爬行。

电机波动力矩按产生机理不同，可分为齿槽波动和电磁波动力矩。

齿槽波动力矩是转子永磁体与定子齿槽相互作用产生的。

通过合理的电机设计，如调整磁钢宽度和定子斜槽、转子错极，可充分抑制齿槽力矩。

彩磁极错位、齿极合理配合，以及分数槽绕组结构，可使齿槽力矩抑制在很低地水平。

电机波动力矩以电磁波动力矩为主要成分，原理上，电机的电磁力矩同转子、转角无关，不存在波动力矩。

但由于正弦化电机驱动电流（或电势）中的幅值和相位偏差，恒定成分及谐波成分导致相同数量级的2次、1次及n±1次波动力矩。

减少电磁力矩波应从电机设计中入手，即彩气隙磁场、电流的正弦化设计方法来减少波力矩。

一方面，通过气隙磁场的正弦化设计和彩定子分布绕组尽可能减少电势中的谐波成分。

另一方面，合理设计驱动系统，使电机的电流谐波降到最低，这样在一定程度上，保证了力矩的平稳性。

设计中应着重考试这几点。

以设计出更好伺服电动机。

直流伺服电机的设计应满足客户的要求，即设计任务书的要求，设计程中通常要给出下列数据：

1，额定功率PN

2，额定电压UN

3，额定转速uN

4，劢磁方式和额定劢磁电压

2.2电机主要尺寸的选择：

2.2.1电机负荷

线负荷A是指在电枢表面圆周每单位长度上导体中的总电流，线负荷A按下式计算

A=IaN/（2aπDa）（A/cm）

式中N为导体数。

磁负荷是佛气隙磁密最大值，其值为

Bδ=ф/（αδτlδ）（T）

选用较高的电磁负荷，可以节约有效材料，缩小电机体积。

A过高，会产生不利影响，电抗电动势增加，使电机换向性能恶化；电枢反应增强，使电机工作特性变差；若电密不变，将使电机用铜量增加，铀损耗和温升增高等。

Bδ增大，使空气隙及电枢磁路所需的劢磁安匝增加，从而增加了铜重，也使电枢铁损耗增加，效率降低，并使电机的温升升高。

所以在选择A值和Bδ值时，都不宜选得过高，需要综合考虑，一般可以根据已经制造的电机，经试验分析，绘制曲线，作为设计时参考。

选择电磁负荷值，除考虑A和Bδ外，还应考虑A、Bδ乘积以及A和Bδ值的比例关系，由于电机的电抗电动势正比于电负荷，所以常用较小的值A和较大的Bδ值，以改善电机的换向性能，同时A值的减小也使电枢的用铜量降低。

对于低速直流电机，铁损耗较小，Bδ可选用较大值，而对于高速电机，铁损耗较大，Bδ值应选用小些，另外，再根据电机的通风散热条件和电机采用的约缘等级，适当调整A和Bδ值的范围。

2.2.2电机尺寸选择

电流电机的主要尺寸指电枢直径和长度，它们与电枢绕组、换向器、定子以及电机的运行性能和经济性有密切关系，与额定功率、额定转速和所选择的电磁负荷有关，开始决定主要尺寸时，可根据电机额定功率及派生系列来选择其尺寸。

考虑到机械强度，所选定电区的圆周速度va通常不宜超过3555m/s,较小的电机时取下限。

圆周速度为

va=πDknN/6000

当电枢直径Da选定后，参考电枢直径与功率关系图，选择电枢长度l尺寸。

尺寸la/Da比值的大小与电机的运行性能、经济性、工艺性等均有密切关系。

若la较大，而Da较小，即电机设计得较细长，这样绕组端部较短，可提高绕组的利用率，电机的转动惯量较小，对频繁起动或可逆转的电动机，可以减少起动和运行中的能量损耗，缩短过渡过程的时间，提高生产率，但换向器片间电压和换向元件的员抗电动势均将增大，使换向条件变差。

由于风路变长，冷却条件也变差。

反之，直径较大，而长度较短，则有利于电机通风散热，有得于换向，但技术经济指标较差，所以在设计时需要计算多种方案，全面地分析、比较，择优选用。

在实际生产中，也可以参照已生产过的同类型规格电机的设计和试验数据，直接初选电枢尺寸，采用所谓“类比法”，当转速相现而额定功率不同，对同一中心高的电机，可近似认为la1/la2=PN1/PN2,由此可以确定la2。

第3章电磁计算

3.1、设计依据

1，型号：

SZ-36

2,控制方式：

电枢控制UN=110V

3,励磁方式：

电磁式Uf=26V

4额定功率：

PN=1200W

5,额定转速：

nN=3600rpm

6,电枢电流：

Ia≤14.0A

7,空载电流：

I0≤2.0A

8,转速变化率：

△n≤15%

9,顺逆差转速差≤200rpm

10,绝缘等级：

B级

11,工作制：

30min短时制

3.2、主要数据

12,电枢外径Da取Da=7.5cm

13,主极级数2p取2p=2

14,电磁负荷

Bδ、A参考《中小型电机设计手册》图7-1，7-2

取A=100A/cm=1×104A/mBδ=0.55T

15,电枢计算长度lef（取λ=la/Da=1.12）

la=1.12×7.5cm

=8.4cm

16,主极极距长度：

τ=πDa/2p

=3.14×7.5/2

=11.78cm

17,电枢槽数Z（取Z=21）

绕组型式：

选用单波

18,并联支路数2a取2a=2

19,电枢电流Ia

Ia=（0.93～0.995）IN（取Ia=0.97IN）

Ia=0.965×1350/110

=10.53A

20，齿距：

t1=πDa/Z

=3.14×7.5/21

=1.12cm

21，校核槽电流Is：

Is=103.24×1.12

=115.6A<1500A

22,预计导体总数Nˊ：

Nˊ=πDa2aAˊ/Ia

=3.14×7.5×2×1×100/10.53

=447

23，槽导体数：

Nˊs=Nˊ/Z

=447/21

=21.3（取Nˊs=22）

24，实际导体数：

N=ZNˊs

=22×21

=462

25，虚槽数u:

（取u=2）

26，元件匝数：

Wa=N/（α*Z*u）

=462/（1×21×2）

=11

27，换向器片数K

K=Zu=21×2=42

28，换向器直径Dk

Dk=（0.6～0.85）Da（取Dk=0.7Da）

Dk=0.7×7.5

=5.25cm

29，换向器片距

tk=πDk/k

=3.14×5.25/42

=0.393cm

30，换向器片间平均电压

Ukav=2PUN/k

=2×110/42

=5.24V

31，校核换向器周速

vk=πDknN/6000

=3.14×5.25×3600/6000

=9.891m/s<30m/s

32，绕组绕制条件

yk=（k±1）/p=（42±1）/1=41或43

yc=Z/2P±ε=21/2±ε=10.5=10

y1=u*ys=2×10=20

y2=yk－y1=21

33，绕组对称条件

k/a=42/1=42（整数）

Z/a=21/1=21（整数）

P/a=1/1=1（整数）

3.3、电磁负载

34,实际线负荷

A=（IaN）/（2aπDa）

=（462×10.53）/（2×1×3.14×7.5）

=103.24A/cm（与所取100A/cm相差不大）

35,支路电流

ia=Ia/2a

=10.53/2

=5.27A

36,预计电枢绕组电密

（取AJˊa=11.9847×1010A2/m3）

Jˊa=AJˊa/A

=11.9847×1010/10.324×103

=11.6×106A/m2

37,预计导线截面积

AˊCua=ia/Jˊa=5.27/11.6×106=0.454mm2

铜导线的直径约为0.76cm2

38,选用铜导线：

型号为QZ-2单根漆包线直径为1.0mm

ACua=π（1/2）2=0.785mm2

39,电枢绕组电密：

Ja=Ia/（2aACua）

=10.53/（2×1×0.785）

=6.71A/mm2

40,热负荷

AJa=103.24×6.71

=692.4

41,主极计算弧长

bδ=bp=αδτ

=11.78×0.64

=7.54其中τ可在0.6—0.75之间选取

42,预计满载磁通

φˊN=（6000aEˊN）/（PNnN）

=6000×1×99/（1×462×3600）

=3.57mWb

EˊN=UN（1±KE）（KE=0.1取“-”）

EˊN=110×（1-0.1）

=99

43,气隙磁密

Bδ=φˊN/（bδla）*10

=3.57×10/7.54×8.4

=0.564T

3.4、槽形计算

44、槽形选择

Da=7.5cm﹤20cm故选用梨形槽

45，电枢槽高

参考《中小型电机手册》图7-9查曲线hs

取hs=1.6cm

46,槽口尺寸：

槽口宽度：

b0=0.3cm

槽口高度h0=0.06cm

47，电枢齿宽度预计值：

bˊt=t1Bδ/（0.93Bˊt）

=1.12×0.55/（0.93×1.8）

=0.368cm

48,电枢槽宽度：

槽口半圆半径：

r1=[π（Da－2h0）/Z－bˊt]/2（1+π/Z）

=[3.14×（7.5-2×0.06）/21-0.368]/[2×（1+π/21）

=0.320cm

槽底半径：

r2=[π（Da－2hs）/Z－bˊt]/2（1－π/Z）

=[3.14×（7.5-2×1.6）-0.368]/[2×（1-3.14/21）]

=0.120cm

平行齿部分高度：

h1=hs－（h0+r1+r2）

=1.6-（0.06+0.320+0.120）

=1.1cm

49,电枢齿宽度：

bt=π[Da－h1－2（h0+r1）]/Z－（r1+r2）

={3.14×[7.5-1.1-2×（0.06+0.320）]}/21

-（0.320+0.120）

=0.424cm

50,槽有效面积

As=（r1+r2+2△i）（h1+r1－△k－2△i）+π/2（r2－△i）2

－2（r1+r2）△I

（式中△i=0.035cm△k=0.15cm）

=（0.320+0.120-2×0.035）（1.1+0.320-0.15-2×0.035）

+3.14/2（0.120-0.035）2-2×（0.320+0.120）×0.035

=0.57cm2

51,每槽导体截面积：

Ad=2CuWad2c

=2×1×2×11×12

=0.44cm2

52,槽满率

Ad/As=0.44/0.57

=77%（符合70～80%之间）

3.5、电枢绕组计算：

53，电枢绕组平均半匝长

laav=1.1τ+la

=1.1×11.