串聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)及相關(guān)技術(shù)概述

1、微電機(jī)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(dòng)電動(dòng)機(jī)及相關(guān)技術(shù)概述寇寶泉，吳紅星，程樹(shù)康(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)摘要：在介紹了直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)主要分類的基礎(chǔ)上回顧了國(guó)內(nèi)外直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀提出了串聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的新方案及其具體結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞：機(jī)器人；直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；串聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)中圖分類號(hào)：TM30文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能要求越來(lái)越高，在許多場(chǎng)合下，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式已經(jīng)不能滿足某些系統(tǒng)的高精度、高速度、無(wú)污染、免維護(hù)的要求，從而促使人們不斷去探索新的驅(qū)動(dòng)方式，直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就是在這樣的形式下產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的。所謂電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，就是電動(dòng)機(jī)與其所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載直接耦合在一起，中間不存在任何減速機(jī)構(gòu)LI。。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器人系統(tǒng)中的重要組成部分，機(jī)器人的速度、精度、負(fù)載能力和快速性能，在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，所

5、以提高現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能和進(jìn)行新型驅(qū)動(dòng)器的探索一直受到人們的普遍重視。從機(jī)器人系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，已經(jīng)開(kāi)始由直流伺服電動(dòng)機(jī)向交流伺服電動(dòng)機(jī)、直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(DD電動(dòng)機(jī))的方向發(fā)展]。從2O世紀(jì)8O年代至今，國(guó)外學(xué)者在新型直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)研制方面進(jìn)行了大量的理論研究工作，研制了許多試驗(yàn)樣機(jī)，取得了一定成果，以DD電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件的直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)商品化，其性能大大超過(guò)傳統(tǒng)的機(jī)器人[2]。除此之外，DD電動(dòng)機(jī)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(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)、半導(dǎo)體制造裝置、精密轉(zhuǎn)臺(tái)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(dòng)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀21直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)具備的特性(1)輸出轉(zhuǎn)矩大。(2)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(dòng)電動(dòng)機(jī)的原理及特性比較如表1所示，DD電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)和無(wú)刷的同步電動(dòng)機(jī)。直流力矩電動(dòng)機(jī)原理和普通的直流電機(jī)一樣，但是為了得到高轉(zhuǎn)矩，通常設(shè)計(jì)成長(zhǎng)徑比小的盤(pán)式結(jié)構(gòu)。由于換向片數(shù)較多，所以轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和非線性小。而無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)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(jī)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(jī)一樣，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和速度波動(dòng)維普資訊微電機(jī)2002年第35卷第3期(總第126期)的磁通中，與勵(lì)磁磁通方向相同的部分被

8、加強(qiáng)，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(huì)在圖3a所示的磁路中通過(guò)，在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針?lè)较虻霓D(zhuǎn)矩。而在圖3b所示的磁阻型電動(dòng)機(jī)中，只有極A參與了轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，極并沒(méi)有參與，因此在相同體積的條件下，磁阻型電動(dòng)機(jī)的輸轉(zhuǎn)矩只有HD型的1／2圖3HD電動(dòng)機(jī)磁路與Magnagap電動(dòng)機(jī)是日本安川I電機(jī)公司提出并已形成產(chǎn)品的新型結(jié)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)j。圖5是該電動(dòng)機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)子與磁阻型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子相類似能夠把電樞磁勢(shì)進(jìn)行調(diào)制，相當(dāng)于把電樞的極對(duì)數(shù)從數(shù)倍增加到bHD型電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)(1)最大轉(zhuǎn)矩／體積比約為傳統(tǒng)電機(jī)的2倍。(2)HD型磁路既適合于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)也適合于直線電動(dòng)機(jī)。(3)具有與傳統(tǒng)電機(jī)磁路同樣的結(jié)構(gòu)自由度。(4)非勵(lì)磁狀態(tài)時(shí)的磁拉力小，電動(dòng)機(jī)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(shì)小，能夠連續(xù)輸出大轉(zhuǎn)矩。(6)由于驅(qū)動(dòng)

10、頻率高，所以不利于高速運(yùn)行。234增強(qiáng)型直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在傳統(tǒng)的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)中，如果繞組電流增大，從感應(yīng)子齒側(cè)面的漏磁會(huì)增加，齒根處的磁密變高而引起飽和。因此從齒出來(lái)的磁通受到限制，而從槽出來(lái)的磁通增加，從而磁場(chǎng)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(duì)面的齒的極性相同，就可以抑制從槽底和齒的側(cè)面出來(lái)的漏磁，這樣既不增大電動(dòng)機(jī)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(qiáng)型直接驅(qū)

11、動(dòng)電動(dòng)機(jī)的原理：。轉(zhuǎn)4增強(qiáng)型直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)235Magnagqp電動(dòng)機(jī)一38一圖5Magnagap電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)236軸向繞組混合式電動(dòng)機(jī)軸向繞組混合式直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)是日本豐田工業(yè)大學(xué)今井孝二教授提出的，圖6是該電動(dòng)機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)Ll。該電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)開(kāi)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(cuò)1／2齒距，第2定子和第3定子之間錯(cuò)1／4齒距，轉(zhuǎn)子不錯(cuò)齒。圖6軸向繞組混合式電動(dòng)機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)當(dāng)繞組中通有電流時(shí)，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(wèn)都相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩／體積比大。237Dynaserv電動(dòng)機(jī)Dy