永磁伺服电机与感应电机系统

长期以来被认为是感应电机的支柱，最近在一些应用中，永磁(PM)伺服电机在50 hp及更大的领域被侵占。这些应用程序通常有动态考虑，需要位置时间闭环和高加速度。当加速大负载时，永磁伺服电机可以在非常高的负载惯量比下工作，并且仍然保持性能要求。具有较低的惯量通常将允许更少的能量浪费在电机内。扭矩(τ)是惯性(j)和旋转加速度(α)的乘积。如果你要求惯性匹配，一半的能量浪费在加速电机上。如果电机与负载的惯性比很大，那么控制方案必须足够动态，以防止较大的负载驱动电机，而不是电机控制负载。

权衡、谈判

长期以来，永磁伺服电机和感应电机的性能领域有重叠，但不能相互替代。感应电机的驱动和技术的进步赋予了它们曾经是永磁伺服系统的支柱的动态性能，但这并不意味着感应电机是伺服系统的替代品;它只是允许更多的选择。

虽然两台电机可能看起来能够完成与扭矩、速度和热因素相关的工作，但在选择一种技术而不是另一种技术时，应该对每种技术都有内在的了解。永磁伺服电机是一种具有换向、速度和位置信息反馈的同步电机。矢量驱动感应电机也需要同样的反馈控制来竞争这一性能竞技场，但完全由电磁驱动，而不是永久磁场。

成本可能限制规模

在稀土磁体的当前状态下，在需要大于20马力或30马力的应用中使用永磁伺服电机可能显得不切实际。如果尺寸和动态性能等要求超出感应电机的范围，这些必须在大多数情况下与永磁伺服电机解决。一般来说，恒磁源的永磁电机可以导致更大的转矩密度比等效的感应系统。如果大小很重要，那么也许系统应该使用一种技术而不是另一种技术。说到规模，如果出现动态需求，惯性比可以是一个重要的优点数字。如果有很高的加速和减速，转子的尺寸将显著增加惯性和减少可用扭矩。在一个例子中，由于新应用的高动态负载和更高的性能要求，一家玻璃制造商结合了这些技术，并选择了四个额定72马力的永磁伺服系统。

设备的大小和动态需求是具有挑战性的。埋入式磁体转子设计提供了一个明显较低的惯性比感应电机的类似评级。由于惯量较低，动态性能可以超过其他电机技术。

在考虑该技术时，感应电机通过定子和电枢绕组以及层合转子结构产生磁场。定子类似于永磁电机的电枢，是静止的。

相似之处仅此而已。当由稀土磁铁提供的永磁电机具有恒定的磁通量状态时，产生的磁场将拉动转子的产生磁场，该转子的产生磁场在环绕转子电枢层片的二次绕组上产生电流(因此称为“感应”)。

这里必须指出“拉动”一词的重要性。有一个有趣但经常被忽视的现象，你不能用电磁铁推动。斥力不是这样工作的。两个电流之间的吸引力将起作用，但当你产生两个类似的极点时，它们像互感器一样抵消，而不是在使用同步控制时排斥。这就是同步感应电动机会稍微滞后于磁场旋转的部分原因。虽然这使得控制方案有所不同，但它仍然是可用的。为了使磁场围绕电枢旋转，并使转子同步，你必须改变磁场，否则基本上就会使所有存储的能量迅速崩溃，这是通过这种抵消电流来实现的。这使得控制更加复杂，但在目前可用的微处理器和现场可编程门阵列(FPGA)控制器的能力范围内。

动载优势

当看到PM伺服电机时，在高动态负载下工作的优势是显而易见的。转子尺寸通常小于类似的功率感应对应物。这会影响惯性分量，因为直径变小而降低惯性分量。像感应电机一样，必须改变电机周围的磁场才能产生旋转。电机将与磁场完全同步，因为可以获得来自磁铁的恒磁通的推和拉。转子的气隙对电枢也不那么敏感。这是由于磁铁有一个m μ等于空气，因此被认为是气隙的一部分。这有助于提高电机的扭矩密度。

电枢中的磁场变化可以在相同的速度和减少转矩波动下允许更高的极数。转子不受磁极性充电时间的限制。这些优势与运行不到几马力时较小的物理尺寸相关。

大多数伺服系统也可以处理大负载，不是动态的，只要设计适合性能。包装和印刷行业的直接耦合负载通常非常大。在许多情况下，会混合使用感应和永磁体技术。

大型直驱旋转电机侵占了感应电机的领域。应用程序很多。对于定时和多轴协调，这些永磁电机比类似的感应电机和相关机械更精确地控制位置-时间闭环要求。

稀土价格

在讨论这两种电机控制技术时，经常会提到稀土的可用性和价格。近几个月来，稀土材料和加工在市场上引起了轩然大波。目前的市场状况表明，这不会是一个永久性的问题。一些电机可以在设计上进行修改，以使用不同的磁铁材料获得相同的转矩。这种对一种材料的可用性对另一种材料的可用性的对冲，可以更好地控制可能影响长期交付和可用性的波动性问题。

性能，扭矩，惯性

在决定使用永磁伺服电机或感应电机系统时，必须考虑动态性能、扭矩密度、惯性匹配和控制方案。如果您需要在大负载和非常高的功率(>50 hp)下保持恒定的速度，感应电机可能是更好的选择。应该质量的电机，动态性能，或扭矩密度是重要的决定因素，然后选择有利于PM伺服。理解灰色区域有助于区分不同的技术。你可能不得不考虑超越传统的智慧，永磁伺服电机只适用于几马力以下的应用。

- Lee Stephens是高级运动控制工程师，Kollmorgen由Mark T. Hoske编辑，他是CFE Media的内容经理，控制工程而且工厂工程、mhoske@cfemedia.com．

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