串聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)直接驅(qū)動電動機及相關(guān)技術(shù)概述

1、微電機2002年第35卷第3期(總第126期)綜述REVIEW串聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)直接驅(qū)動電動機及相關(guān)技術(shù)概述寇寶泉，吳紅星，程樹康(哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江哈爾濱150001)摘要：在介紹了直接驅(qū)動電動機主要分類的基礎(chǔ)上回顧了國內(nèi)外直接驅(qū)動電動機的研究現(xiàn)狀提出了串聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)直接驅(qū)動電動機的新方案及其具體結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞：機器人；直接驅(qū)動電動機；串聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)中圖分類號：TM30文獻標識碼：A文章編號：1001—6848(2002)03—0036—05

2、TheBriefIntroductiononSerialMagnetCircuitDirectDriveMotorandRelevantTechniqueKOUBaoquan。WUHongxing，CHENGShu—kang(HarbinInstituteofTechnologyHarbin150001，China)Abstract：Basedonintroductiononthemainclassificationofdirectdr

3、ivemotorsthepaperrexrJewstheresearchstatus011directdrIvemotorsandadvancesthenovelschemeanddetailstructureoftheserialmagnetcircuitdirectdrivemotorKeywords：robots；directdrKemotors；serialmagnetcircuitstructurel引言隨著FA技術(shù)、FMS技

4、術(shù)和機器人技術(shù)的發(fā)展，對電動機驅(qū)動系統(tǒng)的性能要求越來越高，在許多場合下，傳統(tǒng)的驅(qū)動方式已經(jīng)不能滿足某些系統(tǒng)的高精度、高速度、無污染、免維護的要求，從而促使人們不斷去探索新的驅(qū)動方式，直接驅(qū)動系統(tǒng)就是在這樣的形式下產(chǎn)生和發(fā)展起來的。所謂電動機直接驅(qū)動系統(tǒng)，就是電動機與其所驅(qū)動的負載直接耦合在一起，中間不存在任何減速機構(gòu)LI。。驅(qū)動系統(tǒng)是機器人系統(tǒng)中的重要組成部分，機器人的速度、精度、負載能力和快速性能，在很大程度上取決于驅(qū)動系統(tǒng)的性能，所

5、以提高現(xiàn)有驅(qū)動系統(tǒng)的性能和進行新型驅(qū)動器的探索一直受到人們的普遍重視。從機器人系統(tǒng)驅(qū)動用電動機的發(fā)展趨勢來看，已經(jīng)開始由直流伺服電動機向交流伺服電動機、直接驅(qū)動電動機(DD電動機)的方向發(fā)展]。從2O世紀8O年代至今，國外學者在新型直接驅(qū)動電動機研制方面進行了大量的理論研究工作，研制了許多試驗樣機，取得了一定成果，以DD電動機作為驅(qū)動元件的直接驅(qū)動機器人已經(jīng)商品化，其性能大大超過傳統(tǒng)的機器人[2]。除此之外，DD電動機還被成功地應(yīng)用于精

6、密分度裝置、精密收稿日期：2002—03—25磨床、超精密加工機床的進給驅(qū)動、半導(dǎo)體制造裝置、精密轉(zhuǎn)臺等系統(tǒng)中，使這些系統(tǒng)的性能有了較大的提高。～。2直接驅(qū)動電動機的發(fā)展現(xiàn)狀21直接驅(qū)動電動機應(yīng)具備的特性(1)輸出轉(zhuǎn)矩大。(2)轉(zhuǎn)矩脈動低。(3)效率較高。(4)轉(zhuǎn)矩特性的線性度好。(5)轉(zhuǎn)矩／重量比大。(6)發(fā)熱少。22各種直接驅(qū)動電動機的原理及特性比較如表1所示，DD電動機根據(jù)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理，大致可分為電磁力型、變磁阻型及特殊型。電磁力

7、型又可分為有刷的直流力矩電動機和無刷的同步電動機。直流力矩電動機原理和普通的直流電機一樣，但是為了得到高轉(zhuǎn)矩，通常設(shè)計成長徑比小的盤式結(jié)構(gòu)。由于換向片數(shù)較多，所以轉(zhuǎn)矩脈動和非線性小。而無刷直流電動機由于永磁體位于轉(zhuǎn)子上，繞組位于定子側(cè)，因此與電刷和換向片構(gòu)成的機械換向相比，易于維修，能夠穩(wěn)定地提供大電流。并且其特性同直流電機一樣，轉(zhuǎn)矩脈動和速度波動維普資訊微電機2002年第35卷第3期(總第126期)的磁通中，與勵磁磁通方向相同的部分被

8、加強，方向相反的部分被削弱，在極處也是一樣。結(jié)果，主磁通就會在圖3a所示的磁路中通過，在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一個順時針方向的轉(zhuǎn)矩。而在圖3b所示的磁阻型電動機中，只有極A參與了轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，極并沒有參與，因此在相同體積的條件下，磁阻型電動機的輸轉(zhuǎn)矩只有HD型的1／2圖3HD電動機磁路與Magnagap電動機是日本安川I電機公司提出并已形成產(chǎn)品的新型結(jié)構(gòu)直接驅(qū)動電動機j。圖5是該電動機的結(jié)構(gòu)，定子采用集中繞組，在定子大極的內(nèi)側(cè)貼有高磁能積的片狀稀土永

9、磁體，永磁體徑向充磁，相鄰的永磁體極性相反。由于該電機的轉(zhuǎn)子與磁阻型步進電動機的轉(zhuǎn)子相類似能夠把電樞磁勢進行調(diào)制，相當于把電樞的極對數(shù)從數(shù)倍增加到bHD型電動機的特點(1)最大轉(zhuǎn)矩／體積比約為傳統(tǒng)電機的2倍。(2)HD型磁路既適合于旋轉(zhuǎn)電動機也適合于直線電動機。(3)具有與傳統(tǒng)電機磁路同樣的結(jié)構(gòu)自由度。(4)非勵磁狀態(tài)時的磁拉力小，電動機的裝配容易。(5)由于HD型磁路屬于感應(yīng)子型磁路，因此電樞磁勢小，能夠連續(xù)輸出大轉(zhuǎn)矩。(6)由于驅(qū)動

10、頻率高，所以不利于高速運行。234增強型直接驅(qū)動電動機在傳統(tǒng)的混合式步進電動機中，如果繞組電流增大，從感應(yīng)子齒側(cè)面的漏磁會增加，齒根處的磁密變高而引起飽和。因此從齒出來的磁通受到限制，而從槽出來的磁通增加，從而磁場調(diào)制率減小，引起轉(zhuǎn)矩飽和。但是如果在槽中嵌入永磁體(圖4)，使永磁體的極性與其對面的齒的極性相同，就可以抑制從槽底和齒的側(cè)面出來的漏磁，這樣既不增大電動機的體積，又可以堿小鐵心的飽和程度，使轉(zhuǎn)矩有較大的提高，這就是增強型直接驅(qū)

11、動電動機的原理：。轉(zhuǎn)4增強型直接驅(qū)動電動機的結(jié)構(gòu)235Magnagqp電動機一38一圖5Magnagap電動機的結(jié)構(gòu)236軸向繞組混合式電動機軸向繞組混合式直接驅(qū)動電動機是日本豐田工業(yè)大學今井孝二教授提出的，圖6是該電動機的磁路結(jié)構(gòu)Ll。該電機采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)開有齒和槽，槽中嵌有永磁體，永磁體的配置有多種方式，這里采用徑向充磁，所有面向定子的面都為N極。在定子軸向布有繞組，定子沿軸向分成第1定子、第2定子、第3定子、第4定子

12、共4部分，第1定子和第2定子、第3定子和第4定子之間各錯1／2齒距，第2定子和第3定子之間錯1／4齒距，轉(zhuǎn)子不錯齒。圖6軸向繞組混合式電動機的磁路結(jié)構(gòu)當繞組中通有電流時，根據(jù)右手螺旋定則，第1定子、第3定子被磁化成S極，第2定子、第l定子被磁化成N極，從而第1定子、第3定子與轉(zhuǎn)子之間相互吸引，第2定子、第4定子與轉(zhuǎn)子之間相互排斥(如圖7所示)，因此所有的定轉(zhuǎn)子之問都相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，電機的轉(zhuǎn)矩／體積比大。237Dynaserv電動機Dy