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数字化无刷直流伺服电动机系统，或者按业内习惯叫做数字化永磁交流伺服电动机系统(永磁交流伺服系统)，无疑已成为当代运动控制领域伺服驱动的主流产品和发展趋势。国外各大伺服驱动厂商和电机制造商，在上世纪90年代就都发展完成了通用永磁交流伺服电动机系统的系列产品。额定功率一般在50W～20kW之间，转速一般在1000～3000r/min之间。国产伺服系统由研究所及高校研发的起步时间并不比国外晚，进入工业生产领域则较晚。以有代表性的珠海运控电机有限公司为例，最早生产自己设计的伺服电动机是在2000年，2003年初步形成50W～5kW的伺服系统系列产品，2006年开始向完整化、完善化系列产品和逐步量产方向发展。表明国产伺服系列产品即将进入发展的新阶段，能更好地满足广泛用户的需求。但是在发展国产伺服系列产品过程中也发现，由于运控系统所涉及的领域极其广泛，对伺服系统的要求千变万化，十分多样，所以在基本系列产品的基础上，还要根据应用系统的要求，不断拓展要求相对特殊一些的产品，更好地满足广泛的市场需要，这也是我们发展产品的重要思路之一[1]。本文介绍的是应用于数控鞋楦机中高速伺服系统的一个实例。
我国是世界头号制鞋大国，鞋类产品的产量和出口量一直稳居世界之首。制鞋业的发展使得与之不可分割的鞋楦业迅速发展，相应地也出现了数控鞋楦机，或通常所说的电脑鞋楦机。鞋楦机用来加工鞋楦模型，它的运动控制系统包括四个坐标，如图1所示。其中θ轴带动工件转动，X、Y和θ三轴运动合成了鞋楦模型的轮廓;R轴带动刀杆旋转，完成切削加工。前三轴是典型的位置伺服系统，选用基本系列的适当型号就可以满足要求。R轴则不一样，没有位置控制的要求，只要根据加工对象材质不同，保持适当的转速旋转就可以了。由于鞋楦模型的材质以塑料为主，要求刀具以高速转动，至少9000r/min以上，否则难以保证加工表面的光滑美观，而且在切削过程中也不能因为切削力的变化而使转速有明显的波动。基本系列的交流伺服系统中，没有这么高速的规格品种，所以现有的数控鞋楦机中，只有三个轴采用了交流伺服系统[2]，刀杆的传动则采用标准的异步电动机，看到的一个实例是用一台普通的四极异步电动机，经1：5升速带动刀杆旋转，刀杆转速约7000r/min。这种系统的缺点是：结构不紧凑，转速偏低，而且不稳定，使得表面加工质量差。如果采用交流伺服系统，虽然用不着它的位置伺服功能，但是它的速度环和电流环，可以保证速度很稳定，即使负载变化也影响很小，而且在多头鞋楦机中完全能保证多头加工工件形状和表面质量的一致，将带来数控鞋楦机的突破性进展，可见为此在基本系列之外专门开发一款高速伺服系统是有价值的。 （图片）
图1鞋楦机四轴示意图设计结构特点及关键技术
带动数控鞋楦机刀杆转动进行切削加工的伺服电动机，采取每个单头的刀杆独立驱动的方式，根据实际经验，其基本技术要求大致确定为：额定转速nN=9500r/min;额定功率PN=1000W。
高速永磁电动机一般而言，会对转子的强度要求提高，对轴承的要求提高，会引起噪声振动问题，会引起机械损耗、铁心损耗增大和温升提高问题等[3]。伺服电动机更要考虑采用高速编码器的问题。对伺服驱动器则没有原则性的影响。
基本系列伺服系统采用的位置传感器是通用的增量型光学编码器，以2500线为主。从脉冲频率极限及机械强度角度出发，这类编码器的最高转速都限于5000r/min，不能适应所述高速伺服系统的要求。位置传感器改选用TS2620N21E11型旋变，它的最高转速为30000r/min，完全可以满足需要。同时采用了配套的解码芯片Au6802N1，它可提供旋变所需的励磁信号，将旋变的输出信号解调并转换成不同类型的数字信号，包括与增量型光学编码器一样的数字信号，应用起来很方便[4]。
在转速不是很高，在10000r/min左右时，轴承无需采用特殊冷却方式，仍可采用自带油脂润滑的普通轴承就可以了。只是在负荷容许的情况下，适当采用尺寸偏小的轴承，在装配时选用合适的轴承室和轴承档配合尺寸。
永磁电动机的转子，多数情况下采用表面永磁体结构，永磁磁极通常用胶粘在转子磁轭表面。高速电机中需采用非导磁金属护套，或用无纬玻璃丝带缠绕后加环氧胶固化。我们生产的基本系列产品，永磁电机的转子结构，逐步已改为内置永磁体(IPM)结构，从机械强度角度看，完全适应高速电动机的要求，可靠性更高。
内置永磁体结构对改善齿槽定位转矩有明显好处[5]，对转子质量对称分布有利，有益于降低电动机的转矩波动，改善电动机的噪声和振动，这对高速电动机尤为重要。
基本系列伺服电动机电磁设计的特点：通常都是采用高性能的永磁体材料，一般为烧结NdFeB;高有效材料利用率，即采用高的电、磁负荷;大都为三对极或四对极机构，以获得其高功率(转矩)密度和高响应特性，笔者的设计也不例外，基本上都是四对极结构。四对极永磁电动机在9500r/min时，电磁频率为633Hz，已进入中频(≥400Hz)范围，按照通常认为铁心损耗（图片）计算，将为工频(50Hz)时的27倍，可见标准的电磁设计会使得铁损太大，温升过高，无法承受。也就是说降低电动机的铁心损耗将成为高速伺服电动机的设计特点和关键技术。
提高转速的改型设计
改型设计的主要特点是充分利用基本系列的基础，尽可能少的改变基本系列的零部件设计，特别是涉及需要改变模具的部分，例如铁心冲片的几何尺寸等。某些变更只有在确实没有简便的方法能达到改型的目标时才为之，正因为受到这些实际考虑的限制，所获得的改型设计方案不大可能是比较理想的设计，只能是一个可用的，但总体是较为经济的方案。
改变额定转速的设计相当简单，在其他都不变的条件下，只要改变绕组的匝数就可以了。在电源电压不变的情况下，让额定转速时的相电势不变就可以，即电势系数ke1与额定转速nN成反比，也就是相绕组的有效串联匝数N与nN成反比。
设改型要求的额定转速：
n'N=knN (1)
可取改型电机的匝数：
N'=N/k (2)
如果保持槽满率不变，则相绕组导体的截面积(S'cu)应为原型的k倍，S'cu=kScu (3)
假如保持绕组的额定电流密度不变，则额定电流便为原型的k倍，功率也将增大为k倍。实际上因为保持了电动机的电磁负荷(磁密和线负荷)未改变，电磁转矩TN便相同，输出功率PN便随转速的提高而增加为k倍，T'n=Tn (4)
P'n=kPn (5)
以上分析实际上揭示了电动机设计的一条基本规律，即电动机的体积决定电动机的转矩，功率则与转速直接有关。但是这条规律只有当转速在一定范围内才适用，转速超出一定范围时，由于电动机损耗功率的增加，特别是铁心损耗的增大，使电机的温升超出容许值而不便于实现。
事实上在保持电流密度不变，用铜量不变的情况下，绕组的铜损耗是不变的。铁损耗的情况则不同，在磁密不变的情况下，转速升高时磁场交变的频率增高，铁损耗pfe增大，其中磁滞损耗与频率f成正比增加，涡流损耗与频率的二次方成正比，通常认为总铁损与频率的(1.3)次方成比例，所以：
P'k=k1.3Pk (6)
可见，虽然从电磁设计的角度，一定几何尺寸的电动机可以获得一定的转矩，使电动机的输出功率随转速成正比增加，但是它会受到发热的限制。当转速达到一定值，电机的总损耗超出容许值时，就要降低电流密度j，使功率不可能成正比增加，甚至可能不增反减。在极限情况，即转速相当高的情况下，电动机的铁损耗(加上机械损耗)已经超出发热的容许值时，电动机便没有带载能力，仅改动绕组匝数的改型设计便无法实现。
这时需考虑采取降低铁损耗的措施，主要的方法应有：降低铁心内的磁密，降低磁场交变频率;采用损耗更低的硅钢片牌号或厚度更薄的硅钢片。结合本改型设计实例，选择的原型是92BL(3)D100-30H(ST)型电动机，这是一台PN=1000W，nN=3000r/min，8个极的电动机。由于基本系列电动机已采用了冷轧无取向低损耗且厚度为0.35mm的硅钢片，所以改变铁心材料降损耗的办法不大现实，减少极数，例如将原8极电机改为4极电机，应是一个较有潜力的办法，但应考虑到多极电机轭部高度小，改为4极后如不特地降低气隙磁密或减少极弧系数，则因每极磁通量增大而使轭部磁密过高，会导致铁损耗剧增，以至看不出降低频率的作用。本改型设计实例就是人为地减小极弧系数，使轭部磁密不增加，配以合适的绕组匝数就可以达到目的。
铁损耗实验示例
被测试电动机是原型电动机仅改变了绕组匝数的电动机，原型就是前述的92BL(3)D100-30H(ST)型电动机。由于磁系统没有任何变化，所以在相同转速下的铁损耗不变，空载损耗也基本不变。电动机不带负载，在速度开环情况下，调节外加的直流电源电压，便可测得不同转速下空载运行的数据，如附表所示。附表 仅改变原型绕组匝数电动机的空载实验数据
（图片）表中Vs是外加直流电源电压，Is是直流电源输出的电流，电动机在该转速下空载运行的总输入功率为：
P0=VsIs (7)
Ia0为相绕组电流有效值，R1为相绕组电阻，则相绕组基本铜损为：
Pcu0=3 I2a0 R1 (8)
考虑到电流很小，忽略功率管的损耗和附加铜损，则空载运行时的电磁功率为：
Pe0=P0－Pcu0 (9)
电磁转矩与空载损耗转矩相平衡为：
To=Pe0/ωr (10)
转子角速度：
ωr=2πn/60 (11)
实测的空载损耗转矩与角速度的关系如图2中曲线(1)所示。不考虑转速相当低的部分时，可以用一条直线(2)来拟合，表达式为：（图片） 其中：Ta0为恒定空载损耗转矩部分，主要包括机械干摩擦转矩和铁心磁滞损耗转矩;β为粘滞摩擦系数，βωr为粘滞摩擦损耗转矩，实际上主要反映的是铁心涡流损耗转矩，空气和轴承油润滑的粘滞摩擦转矩只占很小部分，必要时可以由带未曾充磁转子的电动机测出。
附表数据表明，8极原型电动机在额定转速nN=3000r/min时，空载总损耗为31.1W，仅占额定功率的3.11%，对高性能伺服电动机来说是恰当的值。该电动机在工厂实验室常用的支架上测试时得，电动机的表面散热系数(自然冷却)约为1.68W/℃，所以3000r/min时电机表面温升应为（图片）℃ (14) 有很大的余量可以带负载。
当转速升至额定转速的2倍(6000r/min)时，空载总损耗增加至95.12W，约为nN时的3倍。转速升到3nN(9000r/min)时，P0增加至175.35W，约为nN时的5.6倍，机壳表面温升将达到：（图片）℃ (15) 加上环境温度，已超过B级绝缘绕组的容许温度，已没有带负载的任何余量。对电动机来说，提高它的绝缘等级，采用耐高温的轴承润滑脂和永磁材料，还可以允许更高一些的温升，但电动机温度过高，传递到铣削刀具，将严重影响工件表面加工质量，所以仅改变绕组匝数的改型设计方案是不可取的。
减少极数的改型电动机型号为92BL(2)D100-100H(ST-1)，其中(2)表示采用模拟量输出的旋变作位置传感器，额定功率PN=1000W，额定转速，转子为4极结构，NdFeB永磁体磁极有较小的极弧系数。用同样的方法做空载实验，在意料之中的是，以铁损耗为主的空载损耗与8极电动机相比，有明显的下降。实测其空载损耗转矩与转速的关系曲线如图3中(1)`所示，在高于一定转速的范围内可以用直线(2)来拟合，得： （图片） 与图2及式(12)、(13)相比较，可以看出这种改型电动机的铁损耗明显下降，以转速9000r/min时为例，空载总损耗降约57.16%，表面温升的降至约为44.3°，这就为电动机的带载留下了一定的余量。改型电动机在现场应用时，实际工作转速为9500r/min，由于在实际系统中电动机是间歇工作状态，用户还加了辅助的风冷，所以电动机工作时温升不高，不会对工件产生影响，可靠性也很好，满足实际应用的要求。
结语
本文以鞋楦机铣削刀具运动系统的要求，介绍了高速伺服电动机系统应用的一种实例，讨论了高速伺服电动机设计，特别是改型设计的技术关键和实际问题。给出了电动机以铁损耗为主的空载损耗与转速关系测试数据实例，给出满足鞋楦机刀具运动系统要求的改型电动机实例。
4/7/2007
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