現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng) 課件 第3、4章 伺服驅(qū)動(dòng)的負(fù)載機(jī)械特性、永磁直線同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)

第3章伺服驅(qū)動(dòng)的負(fù)載機(jī)械特性

內(nèi)容提要3.1旋轉(zhuǎn)體的運(yùn)動(dòng)方程3.2負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性3.3幾種典型的非線性現(xiàn)象3.4機(jī)械諧振3.5機(jī)械剛度與伺服剛度3.6機(jī)械負(fù)載的折算與匹配伺服驅(qū)動(dòng)的負(fù)載機(jī)械特性13.1旋轉(zhuǎn)體的運(yùn)動(dòng)方程內(nèi)容提要3.1.1轉(zhuǎn)速3.1.2轉(zhuǎn)矩3.1.3功3.1.4功率3.1.5動(dòng)能和慣量3.1.6運(yùn)動(dòng)方程式2

3.1.1

轉(zhuǎn)速3

3.1.2

轉(zhuǎn)矩4

3.1.3

功5

3.1.4

功率6

3.1.5

動(dòng)能和慣量7

3.1.5

動(dòng)能和慣量圖3-1用變速機(jī)構(gòu)連接的旋轉(zhuǎn)體1－交流伺服電機(jī)2－負(fù)載8

3.1.5

動(dòng)能和慣量9圖3-1用變速機(jī)構(gòu)連接的旋轉(zhuǎn)體1－交流伺服電機(jī)2－負(fù)載

3.1.5

動(dòng)能和慣量

圖3-2直線運(yùn)動(dòng)體的慣量1－AC伺服電動(dòng)機(jī)2－滾筒10

3.1.5

動(dòng)能和慣量11

3.1.5

動(dòng)能和慣量圖3-3牽引絲杠驅(qū)動(dòng)的物體1－電機(jī)2－小齒輪3－大齒輪4－絲杠12

3.1.5

動(dòng)能和慣量13

3.1.6

運(yùn)動(dòng)方程式143.2負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性內(nèi)容提要3.2.1恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載3.2.2流體類負(fù)載3.2.3恒功率負(fù)載15驅(qū)動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)的典型運(yùn)動(dòng)方式如圖3-4所示。交流伺服電動(dòng)機(jī)從靜止的零速開始起動(dòng)，一直加速到所規(guī)定的速度，并以此速度運(yùn)行。當(dāng)電動(dòng)機(jī)接到停止命令時(shí)，交流伺服電動(dòng)機(jī)就從工作速度開始減速，直到停止。3.2負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性圖3-4電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式16

按機(jī)械負(fù)載在工作過程中所呈現(xiàn)出來對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的要求，大致可分為三大類型負(fù)載。圖3-5電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系173.2負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不隨負(fù)載的運(yùn)動(dòng)速度變化而變化，負(fù)載的功率則隨著速度的變化而變化，速度高則功率線性增大，速度低則功率線性降低。這類負(fù)載的典型代表有機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)；卷揚(yáng)機(jī)卷取重物等都是恒轉(zhuǎn)矩的典型，另外，像汽車生產(chǎn)線上螺栓擰緊機(jī)構(gòu)，飲料生產(chǎn)線上瓶蓋擰緊動(dòng)作等，也是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的應(yīng)用。這種負(fù)載特性是很多應(yīng)用場(chǎng)合的要求。3.2.1

恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載18流體類負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與速度的二次方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，風(fēng)機(jī)、水泵就是這類負(fù)載的典型代表。3.2.2流體類負(fù)載19恒功率負(fù)載的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成正比，但轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積所代表的功率卻近似保持不變，可視為一個(gè)常數(shù)。這類負(fù)載的典型代表有金屬切削機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)和卷取機(jī)等。由圖3-6知，交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性是一條直線，即轉(zhuǎn)矩是一個(gè)常數(shù)。所以，交流伺服電動(dòng)機(jī)特別適用于驅(qū)動(dòng)機(jī)床進(jìn)給軸這類恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。3.2.3恒功率負(fù)載圖3-6負(fù)載的種類和轉(zhuǎn)矩與速度特性20c）恒功率負(fù)載a）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

b）流體負(fù)載

213.2.3恒功率負(fù)載

223.2.3恒功率負(fù)載

233.2.3恒功率負(fù)載

圖3-7切削阻力的分力1－被加工工件2－車刀243.2.3恒功率負(fù)載

253.2.3恒功率負(fù)載圖3-7切削阻力的合力1－被加工工件2－車刀

263.2.3恒功率負(fù)載

273.2.3恒功率負(fù)載3.3幾種典型的非線性現(xiàn)象內(nèi)容提要3.3.1死區(qū)現(xiàn)象分析3.3.2飽和現(xiàn)象3.3.3間隙現(xiàn)象的分析3.3.4摩擦分析28

3.3幾種典型的非線性現(xiàn)象a）b）c）d）

圖3-8伺服系統(tǒng)可能存在的幾種典型非線性特性29由于電動(dòng)機(jī)軸都存在著摩擦力矩和負(fù)載力矩，因此當(dāng)輸入電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，電動(dòng)機(jī)才能轉(zhuǎn)動(dòng)，即存在所說的不靈敏區(qū)，而當(dāng)輸入電壓超過一定值時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就不再升高，出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象，見圖3-8c）。3.3幾種典型的非線性現(xiàn)象a）b）c）d）

圖3-8伺服系統(tǒng)可能存在的幾種典型非線性特性30各種機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，例如齒輪減速器、桿系傳動(dòng)，由于加工和裝配限制，在傳動(dòng)過程中，都可能存在著間隙，如圖3-8d)所示。因此，這些非線性特性在實(shí)際的伺服系統(tǒng)中是普遍存在的。在性能要求很高的伺服系統(tǒng)中，必須認(rèn)真對(duì)待這些非線性因素。3.3幾種典型的非線性現(xiàn)象a）b）c）d）

圖3-8伺服系統(tǒng)可能存在的幾種典型非線性特性31

3.3.1死區(qū)現(xiàn)象分析圖3-9死區(qū)特性32

3.3.1死區(qū)現(xiàn)象分析圖3-10含有死區(qū)的非線性系統(tǒng)33死區(qū)對(duì)系統(tǒng)最直接的影響是造成輸出的穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)輸入信號(hào)是斜坡函數(shù)時(shí)，死區(qū)的存在會(huì)造成系統(tǒng)的輸出量在時(shí)間上的滯后，從而降低系統(tǒng)的跟蹤精度，如圖3-11所示。3.3.1死區(qū)現(xiàn)象分析圖3-11斜坡輸入時(shí)，系統(tǒng)的輸出量34

3.3.1死區(qū)現(xiàn)象分析a）b）圖12死區(qū)特性的等效增益35

3.3.2飽和現(xiàn)象a）b）圖3-13飽和特性及其等效增益a）飽和特性b）等效增益36圖3-14所示為具有飽和特性的伺服系統(tǒng)框圖。3.3.2飽和現(xiàn)象圖3-14具有飽和特性的伺服系統(tǒng)框圖37

3.3.2飽和現(xiàn)象a）b）圖3-15系統(tǒng)的根軌跡及階躍響應(yīng)曲線38

3.3.2飽和現(xiàn)象圖3-16系統(tǒng)的根軌跡及階躍響應(yīng)曲線39

3.3.3間隙現(xiàn)象的分析圖3-17齒輪間隙和間隙特性40

3.3.3間隙現(xiàn)象的分析41圖3-17齒輪間隙和間隙特性

3.3.3間隙現(xiàn)象的分析圖3-18間隙的輸入輸出波形42

3.3.4摩擦分析圖3-19各種形式的摩擦特性43

3.3.4摩擦分析圖3-19各種形式的摩擦特性44

3.4機(jī)械諧振圖3-20二級(jí)齒輪減速器傳動(dòng)示意圖45

3.4機(jī)械諧振46

3.4機(jī)械諧振圖3-21傳動(dòng)裝置彈性形變示意圖47

3.4機(jī)械諧振48圖3-21傳動(dòng)裝置彈性形變示意圖

3.5機(jī)械剛度與伺服剛度49

3.5機(jī)械剛度與伺服剛度50

3.6機(jī)械負(fù)載的折算與匹配51

3.6機(jī)械負(fù)載的折算與匹配圖3-22回轉(zhuǎn)體52

3.6機(jī)械負(fù)載的折算與匹配圖3-23直線運(yùn)動(dòng)物體53

3.6機(jī)械負(fù)載的折算與匹配54（1）什么是齒輪的減速比？（2）負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性通常有什么？請(qǐng)舉例這幾類負(fù)載的典型代表。（3）典型的非線性現(xiàn)象有哪些？（4）間隙現(xiàn)象對(duì)于系統(tǒng)性能的影響主要表現(xiàn)是什么？復(fù)習(xí)題及思考題55第4章永磁直線同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)

內(nèi)容提要4.1直線電動(dòng)機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用4.2永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)4.3永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的齒槽定位力及其削弱4.4永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的紋波力及其削弱4.5直線電機(jī)在機(jī)床上應(yīng)用發(fā)展緩慢的原因分析永磁直線同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)57在許多工業(yè)領(lǐng)域中，被控機(jī)械往往是直線位移形式。然而遺憾的是，直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)沒有得到發(fā)展，長(zhǎng)期以來，不得不借助旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電機(jī)配上機(jī)械轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)最終變成直線運(yùn)動(dòng)。如果有直線驅(qū)動(dòng)器能夠直接驅(qū)動(dòng)被控物體作直線運(yùn)動(dòng)，可省去運(yùn)動(dòng)形式的變換環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化傳動(dòng)的復(fù)雜性。以電磁原理工作的直線電機(jī)可以提供高功率和大推力，在19世紀(jì)20年代，想用直線電動(dòng)機(jī)作為織布機(jī)的梭子和列車的動(dòng)力，但均未獲成功。到了20世紀(jì)50年代，直線電動(dòng)機(jī)作為電磁泵被用來抽吸液態(tài)金屬，20世紀(jì)60年代以后，由于發(fā)展高速運(yùn)輸系統(tǒng)的需要，使直線電機(jī)的理論和應(yīng)用得到快速發(fā)展。4.1直線電動(dòng)機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用58對(duì)感應(yīng)式直線電機(jī)的研究較早，感應(yīng)式直線電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，適應(yīng)性強(qiáng)，成本低，制造容易，在各領(lǐng)域首先得以應(yīng)用。這些應(yīng)用主要體現(xiàn)以下方面：（1）工業(yè)直線傳動(dòng)1）傳動(dòng)帶：感應(yīng)式直線電動(dòng)機(jī)的初級(jí)固定不動(dòng)，次級(jí)就是傳送帶本身，所用的材料就是金屬帶或金屬網(wǎng)與橡膠的復(fù)合帶。這種傳送方式兼有礦車與普通皮帶運(yùn)輸機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，可以提高運(yùn)輸能力，節(jié)省投資。4.1直線電動(dòng)機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用592）傳送車：在工業(yè)生產(chǎn)中可用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)小車傳送工件。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，要求小車能在始點(diǎn)、終點(diǎn)和沿途若干點(diǎn)上準(zhǔn)確定位，直線電動(dòng)機(jī)通過調(diào)速裝置、速度傳感器、行程開關(guān)或無觸點(diǎn)開關(guān)的聯(lián)合作用，能使小車準(zhǔn)確定位。3）行李、貨物的存取移動(dòng)裝置。4）橋式起重機(jī)或吊車移動(dòng)裝置。4.1

直線電動(dòng)機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用60（2）電磁泵由于液態(tài)金屬具有很高的溫度，因此作為電磁泵的感應(yīng)式直線電動(dòng)機(jī)初級(jí)要用耐火材料覆蓋，次級(jí)就是液態(tài)金屬。當(dāng)初級(jí)通電后，在液態(tài)金屬中便產(chǎn)生定向的驅(qū)動(dòng)力，以達(dá)到泵送液態(tài)金屬的目的。液態(tài)金屬可以是鈉、鉀、鋁、鐵等。（3）工業(yè)裝置的執(zhí)行部件感應(yīng)式直線電動(dòng)機(jī)可以用于門、窗、閥、開關(guān)的自動(dòng)開閉裝置，以及自動(dòng)剪切生產(chǎn)線的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置等。4.1直線電動(dòng)機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用61（4）驅(qū)動(dòng)高速列車近幾十年來，感應(yīng)式直線電動(dòng)機(jī)在交通方面受到了人們極大重視，有許多技術(shù)先進(jìn)的國家做了許多高速列車試驗(yàn)。在這種應(yīng)用中，將直線電動(dòng)機(jī)的初級(jí)固定在車身上，次級(jí)安置于地面，用氣墊（或磁墊）使車與地面分離，用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)高速列車，時(shí)速可達(dá)400~500km/h，這是感應(yīng)式直線電動(dòng)機(jī)最典型的應(yīng)用。（5）其他方面的應(yīng)用它還可以用于熔融液態(tài)金屬的攪拌裝置、電錘、車輛沖擊試驗(yàn)臺(tái)的加速裝置等，其應(yīng)用面十分廣泛。在軍工領(lǐng)域，甚至可能助力航空母艦上飛機(jī)的彈射起飛。4.1

直線電動(dòng)機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用62上面所列出的應(yīng)用，都是作為動(dòng)力轉(zhuǎn)換而用的。這是應(yīng)用的一個(gè)主要方面，隨著矢量控制理論的成熟和相應(yīng)技術(shù)的進(jìn)步，和感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，它的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，在數(shù)控機(jī)床上也有使用的。與此同時(shí)，還有直線式直流電動(dòng)機(jī)、直線式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直線式同步電動(dòng)機(jī)。本章重點(diǎn)介紹的是永磁直線同步電動(dòng)機(jī)，它的許多方面與永磁旋轉(zhuǎn)同步電動(dòng)機(jī)具有相同的性質(zhì)，本章主要是介紹一下它的特殊問題。4.1直線電動(dòng)機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用634.2永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)內(nèi)容提要4.2.1

基本結(jié)構(gòu)4.2.2

基本工作原理4.2.3

永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)4.2.4

永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的端部效應(yīng)64傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式永磁同步電機(jī)由定子、氣隙、轉(zhuǎn)子三部分組成，直線式永磁同步電動(dòng)機(jī)與此相似。不過直線式電機(jī)的受電部分-初級(jí)繞組嵌放在鐵心中，它帶著饋電電纜一起作直線運(yùn)動(dòng)，稱這部分電樞繞組連同鐵心一起叫動(dòng)子，而安放永磁體之處稱為次級(jí)，是不動(dòng)的，叫作定子。4.2.1基本結(jié)構(gòu)65在定子的全長(zhǎng)的直線行程方向上，一塊接一塊的交替安放N極、S極永磁體。在動(dòng)子和定子之間就是氣隙，這與旋轉(zhuǎn)式永磁電動(dòng)機(jī)的氣隙是一樣的。圖4-1所示的就是一種單邊平板型結(jié)構(gòu)的直線永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)，其中

為極距。4.2.1基本結(jié)構(gòu)

圖4-1單邊平板型直線永磁電動(dòng)機(jī)示意圖1－永磁體2－低碳鋼極3－軛66通過三相饋電電纜，將三相對(duì)稱正弦電流引入動(dòng)子繞組后，同樣會(huì)在動(dòng)子與定子氣隙中產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。在不考慮鐵心兩端開斷而引起的縱向端部效應(yīng)時(shí)，氣隙磁場(chǎng)的分布情況與旋轉(zhuǎn)時(shí)的情況相似，既可以看成沿展開的直線方向呈正弦分布。當(dāng)三相電流隨時(shí)間而變化時(shí)，氣隙磁場(chǎng)將按A、B、C的相序沿直線運(yùn)動(dòng)，這個(gè)原理與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相似。但是二者的氣隙磁場(chǎng)還是有差異的：直線電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場(chǎng)是沿直線方向平移，而不是沿氣隙旋轉(zhuǎn)的，將這個(gè)平移的磁場(chǎng)稱為行波磁場(chǎng)。顯然，這個(gè)行波磁場(chǎng)的移動(dòng)速度與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子內(nèi)圓表面的線速度vs（稱為同步速度）是一樣的。對(duì)于永磁直線同步電動(dòng)機(jī)來說，定子上永磁體的勵(lì)磁磁場(chǎng)與動(dòng)子形成的行波磁場(chǎng)相互作用便會(huì)產(chǎn)生電磁推力，就是說，位于定子磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體（動(dòng)子）就會(huì)受到力的作用，力的方向可按左手定則判定。4.2.2基本工作原理67

4.2.2基本工作原理

圖4-2永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理示意圖68傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)+滾珠絲杠”的伺服進(jìn)給方式中，電動(dòng)機(jī)輸出的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，要經(jīng)過聯(lián)軸器、滾珠絲杠螺母副等一系列中間傳動(dòng)與變換環(huán)節(jié)以及相應(yīng)的支撐，才能變成被控對(duì)象-溜板或刀架的直線運(yùn)動(dòng)。由于中間存在運(yùn)動(dòng)形式的變換環(huán)節(jié)，將會(huì)對(duì)機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)存在以下諸多不良后果；（1）使傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度降低，起動(dòng)和制動(dòng)中初期能量都消耗在中間環(huán)節(jié)的彈性變形上，尤其是精密細(xì)長(zhǎng)的滾珠絲杠是進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的剛度薄弱環(huán)節(jié)。彈性變形使系統(tǒng)的微分方程階次提高，從而使系統(tǒng)的魯棒性降低，伺服性能下降。彈性變形更是數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生機(jī)械諧振的根源之一。4.2.3永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)69（2）中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的存在，增加了運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的慣量，在不增大系統(tǒng)放大倍數(shù)的情況下，會(huì)使系統(tǒng)的速度、位移相應(yīng)變慢；但若增大放大倍數(shù)時(shí)，又有可能使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，甚至可能導(dǎo)致不穩(wěn)定。（3）由于制造機(jī)械的精度限制，中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)不可避免的受到間隙、死區(qū)、摩擦以及彈性形變的影響，使系統(tǒng)的非線性因素增加，進(jìn)一步提高精度變得困難。（4）為提高生產(chǎn)率和改善零件加工質(zhì)量而發(fā)展起來的高速加工，不但要求數(shù)控機(jī)床具有超高速運(yùn)轉(zhuǎn)的大功率精密主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，而且要求有一個(gè)反應(yīng)快速、靈敏、高速、輕便、精密、魯棒好的伺服系統(tǒng)，使系統(tǒng)進(jìn)給速度達(dá)到50~60m/min以上，加、減速度達(dá)到25~30m/s2。4.2.3永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)70傳統(tǒng)的機(jī)械中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，限制了超高速切削的要求。這些要求就迫使了新的零傳動(dòng)方式的誕生，永磁直線電動(dòng)機(jī)正是適時(shí)應(yīng)運(yùn)而生。它在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)上正好能克服上述諸項(xiàng)缺點(diǎn)，而獲得以下好處：①由于數(shù)控機(jī)床的直線進(jìn)給行程較短，一般不超過幾百毫米，只有在很高的動(dòng)態(tài)性能下才能完成，快速起動(dòng)，準(zhǔn)確停止，在實(shí)現(xiàn)切削軌跡拐彎處更需要高的加、減速度。②提高工件的表面加工質(zhì)量，延長(zhǎng)刀具壽命。③提高了傳動(dòng)精度和定位精度。④運(yùn)動(dòng)噪聲低。⑤進(jìn)給行程長(zhǎng)度不受限制，省去了貴重的滾珠絲杠。4.2.3

永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)71直線電動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)是存在著顯著不同點(diǎn)，即所有的各類直線電動(dòng)機(jī)在不同程度上都存在特有的端部效應(yīng)。而永磁直線電動(dòng)機(jī)尤為突出。直線電動(dòng)機(jī)的動(dòng)子在其運(yùn)動(dòng)方向上，必然存在一個(gè)入口端和出口端，在兩個(gè)端口附近處，磁場(chǎng)的分布與中間位置的磁場(chǎng)分布顯著不同，這給直線電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性帶來了不良影響，這就是所謂的“端部效應(yīng)”。這種現(xiàn)象在旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)中是不存在的。圖4-3表示單邊初級(jí)帶有一個(gè)金屬平板次級(jí)的直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)分布。4.2.4永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的端部效應(yīng)

圖4-3直線感應(yīng)電機(jī)的磁場(chǎng)分布72圖4-4所示的是感應(yīng)式直線電動(dòng)機(jī)中的行波磁場(chǎng)方向上渦流分布。由圖可知，這種分布是不對(duì)稱的，會(huì)使推力不是一個(gè)恒值，從而產(chǎn)生推力波動(dòng)。因此，定義在次級(jí)長(zhǎng)度方向上的端部效應(yīng)，稱為縱向端部效應(yīng)，在高速時(shí)端部效應(yīng)顯著增長(zhǎng)。4.2.4永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的端部效應(yīng)

圖4-4次級(jí)中的渦流分布73除了縱向端部效應(yīng)外，還存在橫向端部效應(yīng)。當(dāng)直線電動(dòng)機(jī)次級(jí)采用實(shí)心結(jié)構(gòu)時(shí)，次級(jí)導(dǎo)電板中的感應(yīng)電流也呈渦流形狀，在它的作用下，氣隙磁通密度沿橫向分布呈現(xiàn)出了馬鞍狀，這種效應(yīng)稱為橫向端部效應(yīng)，如圖4-5所示。4.2.4永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的端部效應(yīng)

圖4-5直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的橫向端部效應(yīng)74端部效應(yīng)還分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種端部效應(yīng)。僅考慮初級(jí)電流的端部效應(yīng)，稱為靜態(tài)端部效應(yīng)；當(dāng)初級(jí)和次級(jí)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)或次級(jí)中也有電流時(shí)，縱向和橫向端部效應(yīng)對(duì)磁場(chǎng)的影響稱為動(dòng)態(tài)端部效應(yīng)。直線電動(dòng)機(jī)的端部效應(yīng)在理論上很復(fù)雜，不易清晰地用解析公式表示。在工程設(shè)計(jì)上要考慮到，無論哪種端部效應(yīng)，對(duì)直線電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行都有害。這些不良表現(xiàn)會(huì)減低氣隙磁通密度，使電動(dòng)機(jī)的推力不能保持恒定，產(chǎn)生波動(dòng)，增加損耗，降低有效功率，要盡力避免這些不良影響。4.2.4永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的端部效應(yīng)75對(duì)永磁直線電動(dòng)機(jī)的端部效應(yīng)情況，也可以借助感應(yīng)式直線電動(dòng)機(jī)的端部效應(yīng)理論進(jìn)行討論分析。但應(yīng)該指出，由于采用了高磁能積的強(qiáng)磁體作為定子材料，所以它的端部效應(yīng)表現(xiàn)得更為突出，如圖4-6所示。4.2.4永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的端部效應(yīng)

圖4-6短初級(jí)面裝式PMLSM的磁場(chǎng)分布76對(duì)于永磁直線電動(dòng)機(jī)，其端部效應(yīng)影響更大，它會(huì)增加直線電動(dòng)機(jī)的附加損耗，降低直線電動(dòng)機(jī)的工作效率，特別是會(huì)引起更大的電動(dòng)機(jī)推力波動(dòng)。而推力波動(dòng)較大，是影響這種直線電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用的原因之一。推力波動(dòng)會(huì)使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生機(jī)械擾動(dòng)和噪聲，還可能產(chǎn)生低速共振，嚴(yán)重惡化伺服性能，損壞定位精度。永磁直線伺服電動(dòng)機(jī)的縱向端部效應(yīng)，由以下原因引起：（1）由于直線電動(dòng)機(jī)的初級(jí)繞組不連續(xù)，使各相繞組的互感不相等，即使提供了三相對(duì)稱正弦電壓，電流也不可能對(duì)稱，在氣隙中除了產(chǎn)生正序行波磁場(chǎng)外，還會(huì)產(chǎn)生逆序和零序磁場(chǎng)，從而在氣隙中形成脈振磁場(chǎng)，使電動(dòng)機(jī)推力產(chǎn)生波動(dòng)；另一方面，即使在繞組中通過三相對(duì)稱電流，由于縱向端部效應(yīng)的影響，也會(huì)在電動(dòng)機(jī)氣隙中產(chǎn)生脈動(dòng)磁場(chǎng)，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生附加的推力波動(dòng)；4.2.4永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的端部效應(yīng)77（2）由于電動(dòng)機(jī)動(dòng)子的鐵心是斷開的，使得鐵心端部的氣隙磁阻發(fā)生了急劇的變化。由此產(chǎn)生了一個(gè)周期性的推力波動(dòng)，這和齒槽力生成的機(jī)理是類似的。在分析直線電動(dòng)機(jī)的推力波動(dòng)時(shí)，常常將鐵心的開斷和齒槽引起的磁阻力稱為定位力。因?yàn)樗鼈兌际怯纱抛枳兓鸬挠来朋w勵(lì)磁磁場(chǎng)的嚴(yán)重畸變而產(chǎn)生。這里講的齒槽效應(yīng)的定位力和紋波力都是不希望存在的推力波動(dòng)，但二者產(chǎn)生的原因不同；紋波力是由動(dòng)子電流和定子的永磁磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的，而定位力是由于動(dòng)子鐵心和定子磁場(chǎng)間磁阻變化而產(chǎn)生的波動(dòng)阻滯力。兩種波動(dòng)力并無關(guān)聯(lián)，他們可能同時(shí)存在，也可能單獨(dú)存在。4.2.4永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的端部效應(yīng)78

4.3永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的齒槽定位力及其削弱

圖4-7面裝式PMLSM一個(gè)極下的物理模型79定位力產(chǎn)生的主要原因是由于動(dòng)子齒槽的存在，永磁定子的磁極與動(dòng)子齒槽的相對(duì)位置不同時(shí)，主磁路的磁導(dǎo)不一樣，動(dòng)子趨向于定位在動(dòng)子與定子之間磁導(dǎo)最大的位置，即穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。在此位置上磁阻最小，當(dāng)偏離此位置時(shí)，自有恢復(fù)到該位置的作用力或趨向于另一個(gè)相鄰的穩(wěn)定平衡點(diǎn)。定位力主要源于動(dòng)子齒槽，所以稱為齒槽效應(yīng)定位力或磁阻滯力。從根本上看，動(dòng)子和定子的磁路不均勻性是產(chǎn)生齒槽效應(yīng)力及其波動(dòng)的主要原因。齒槽力是由定子永磁體與動(dòng)子齒間作用力的切向分力構(gòu)成。在圖4-7中，動(dòng)子移動(dòng)時(shí)，處于永磁體中間部分的動(dòng)子齒槽與永磁體的磁導(dǎo)幾乎不變，這些動(dòng)子齒槽周圍的磁場(chǎng)也基本不變，而與永磁體兩側(cè)面A和B對(duì)應(yīng)的由一個(gè)或兩個(gè)動(dòng)子齒構(gòu)成的一小段封閉區(qū)域內(nèi)的磁導(dǎo)變化卻很大，導(dǎo)致磁場(chǎng)儲(chǔ)能改變，產(chǎn)生單向力。因此，產(chǎn)生齒槽效應(yīng)的區(qū)域主要是永磁體兩側(cè)的拐角處而不是整個(gè)永磁體。4.3永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的齒槽定位力及其削弱80

4.3永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的齒槽定位力及其削弱

圖4-8齒槽效應(yīng)力81

4.3永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的齒槽定位力及其削弱82（2）選擇合適的齒槽寬度比分析表明，選擇合適的齒槽比寬度比，可削弱或消除齒槽力中的諧波。對(duì)于面裝式永磁直線電動(dòng)機(jī)，若再選擇合適的永磁體寬度，則可進(jìn)一步削弱或消除余下的諧波。一般來說，選擇齒槽寬度比為1是合適的，但不同結(jié)構(gòu)、不同尺寸的電動(dòng)機(jī)要通過磁場(chǎng)的計(jì)算，來確定最佳的齒槽寬度比。（3）斜槽或斜極動(dòng)子斜槽或定子斜極是削弱或消除齒槽力的有效措施。動(dòng)子斜槽，斜一個(gè)齒距，可基本上消除所有齒槽效應(yīng)波動(dòng)。但要注意，齒槽力對(duì)于動(dòng)子斜槽尺寸精度反應(yīng)很敏感，斜槽尺寸很小的偏差，也會(huì)使齒槽力產(chǎn)生較大的諧波波動(dòng)力。因?yàn)橛来朋w難以加工，因此定子斜極比較困難，可以用多塊永磁體連續(xù)位移的措施，也能達(dá)到與動(dòng)子斜槽同樣的效果。（4）采用分?jǐn)?shù)槽繞組4.3永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的齒槽定位力及其削弱83在分析紋波力時(shí)，做如下假設(shè)：（1）動(dòng)子電流不含偶次諧波。（2）不考慮永磁體和定子的阻尼效應(yīng)。（3）定子的永磁體勵(lì)磁磁場(chǎng)對(duì)稱分布。為產(chǎn)生恒定的電磁推力要求PMLSM的電動(dòng)勢(shì)和電流均為正弦波。但實(shí)際上，定子側(cè)的永磁體勵(lì)磁磁場(chǎng)或動(dòng)子側(cè)繞組的空間分布不可能是完全理想正弦的。所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一定會(huì)發(fā)生畸變。由逆變器饋入動(dòng)子的三相電流，盡管經(jīng)過高頻調(diào)制和負(fù)反饋可以幾乎達(dá)到逼近正弦波，但其中還是含有許多高次諧波。4.4永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的紋波力及其削弱84

4.4永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的紋波力及其削弱85

4.4永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的紋波力及其削弱86

4.4永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的紋波力及其削弱87式中，4.4永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的紋波力及其削弱88寫成矩陣形式：上述分析表明次數(shù)相同的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和動(dòng)子電流諧波作用后，產(chǎn)生一個(gè)平均力，不同次數(shù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和動(dòng)子電流諧波相互作用，將產(chǎn)生脈動(dòng)頻率為基波頻率6倍的紋波力，如F6、F12、F18、F24…等各種紋波力。各紋波力的幅值與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和動(dòng)子電流波形的畸變程度有關(guān)。4.4永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的紋波力及其削弱89

4.4永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的紋波力及其削弱

圖4-9紋波推力90

4.4永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的紋波力及其削弱91對(duì)面裝式直線電動(dòng)機(jī)，可以通過永磁體的形狀和極弧寬度或其它有效措施，使永磁體的勵(lì)磁磁場(chǎng)盡量接近正弦形，但對(duì)于嵌入式和內(nèi)埋式PMLSM，很難使勵(lì)磁磁場(chǎng)獲得正弦分布，這要求在直線電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方面繼續(xù)研究方法。另一方面，就是要利用控制技術(shù)想方設(shè)法使通入動(dòng)子的電流實(shí)現(xiàn)對(duì)稱三相電流正弦化，光滑化，盡量采用開關(guān)頻率高的大功率逆變器，高頻率調(diào)制的PWM，以使殘余的高頻諧波而被電磁、機(jī)械慣性所濾除。由上述說明知，無論是直線電動(dòng)機(jī)的端部效應(yīng)，引起的推力波動(dòng)；還是齒槽效應(yīng)，電流和永久勵(lì)磁的非正弦性所引起的推力波動(dòng)，都十分不利于PMLSM伺服系統(tǒng)在高精度、高響應(yīng)中的伺服應(yīng)用，除了要在電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造中要考慮這些削弱推力的不確定性因素外，作為應(yīng)用者，還要在控制方法技術(shù)上發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢(shì)盡量消除或削弱這些不良因素對(duì)實(shí)際應(yīng)用的影響。4.4永磁直線同步伺服電動(dòng)機(jī)的紋波力及其削弱92首先，進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)的PMLSM生產(chǎn)成本高，長(zhǎng)行程情況下，所用稀土材料多，價(jià)格高，成本提高；其次，PMLSM等直線電動(dòng)機(jī)的配套技術(shù)發(fā)展不完善。直線電動(dòng)機(jī)只能以整臺(tái)位移裝置形式出現(xiàn)，不像旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)那樣僅以單體電動(dòng)機(jī)形式出現(xiàn)。多年的單體電動(dòng)機(jī)使用習(xí)慣，使旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)