吴 牮

（重庆电子工程职业学院，重庆 401331）

1 概述

电机是人类第二次技术革命的标志性产物之一。自19世纪30年代至20世纪中叶100a 左右的时间内，电机的相关理论与技术其实已基本成熟，各种类型的电机（特别是大容量发电机、大功率动力型电动机）也已经大致定型。尽管如此，20世纪中叶以后，随着电子计算机控制技术、电力电子技术、材料科学技术、电机控制理论与技术的快速发展，新型的、高性能的电动机仍然不断涌现，其中非常典型的类型便是伺服电动机。然而，纵观过去二三十年，人们虽然在大量使用伺服电动机，但对伺服电动机并没有清晰明确的认识，各种教科书与文献资料给出的定义也各有差别，这种概念上的模糊甚至混乱认知在企业一线技术人员、院所科技人员、高校教师及学生中均有体现。自动化系统中广为使用的三相永磁同步伺服电动机和直流无刷电动机结构较为相似，文章就二者的关系和属性作了一些简要解析与讨论。

2 伺服电动机的概念

电动机的种类繁多，我们可以根据电动机的参数特征、容量范围、应用领域及功能等方面来对其进行类别划分。如果按照电动机运动控制的品质高低以及控制输出的复杂度来归类，可将电动机大致分为普通动力电机及控制电动机两大类。伺服电动机便是控制电动机中的一个大类。从控制工程角度广义的理解，伺服电动机指具备高品质运动控制特征的驱动电机，具有控制输出精度高、动态响应快、运行稳定性好的特点，可以是直流机也可以是交流机、可以是同步机也可以是异步机，可以实现常见的位移（或位置）伺服控制输出、速度伺服控制输出，也能实现加速度以及更高阶运动参量的伺服控制输出。伺服电动机通常在自动控制系统中作为执行元件来使用，从容量范围来看，伺服电动机绝大部分属于小型或微型电动机。

有刷直流伺服电动机是一种应用较早且发展充分的伺服驱动电机，主要包含传统型直流伺服电动机、盘式直流伺服电动机、空心杯转子直流伺服电动机、无槽电枢直流伺服电动机等类型。特别是传统型他励、并励式直流伺服电动机，由于其在高性能调速运行方面的优异性能以及成熟可靠的生产制造工艺而得到广泛推广应用，以至于在当今交流伺服驱动技术日益完善的背景下，在部分特种装备上仍然采用这种电动机作为驱动电机。由于控制上的难度，交流伺服驱动技术及交流伺服电动机的发展相对较晚，但自20世纪70年代以来，随着微型计算机技术、电力电子技术、微电子技术、材料科学技术的快速发展以及交流电机矢量控制原理的发现与成功实践，交流伺服驱动技术取得了跨越式进步并逐渐成为电伺服驱动的主流，相应地交流伺服电动机的类型也出现了多样化的趋势，各类交流伺服电动机的性能也有了质的提升。

特别值得注意的是，20世纪80年代以后，随着高性能稀土永磁材料的逐步推广使用，在小型、微型容量范围之内各种类型永磁电机纷纷取代了传统电励磁电机，尤其是在先进的微机控制技术以及基于高品质电力电子器件的驱动电源加持下，永磁电机在很多性能上实现了对电励磁电机的全面超越并达到了新的高度。在此背景下，高性能的永磁式同步伺服电动机产生，成为了当代驱动领域的亮点之一。

3 永磁同步伺服电动机

3.1 永磁同步伺服电动机的结构

永磁同步伺服电动机由定子、转子、端盖及辅件构成，如图1所示为6极、4极的两台永磁同步伺服电动机的定、转子断面图（无电枢绕组）。定子为同步电动机的电枢，结构与异步电动机、电励磁同步电动机定子相似，主要包含由硅钢片叠压的铁芯、三相对称绕组、机座（机壳）。其中定子（电枢）绕组和普通微型三相同步、异步机基本相同，大多采用单层普通三相交流绕组星形联接，电枢多数采用整数槽的构造，少数也采用分数槽构造。整数槽通常采用分布短距绕组，分数槽绕组除采用分布短距绕组外，还常常采用节距为y=1的集中绕组。

永磁同步电动机用永磁体取代了电励磁同步电动机转子上的励磁绕组，故其构造上的差别主要体现在转子上。永磁同步电动机转子结构有多种不同的形式，主要和磁极的构造有关。转子磁极构造不同，则电动机的运行性能、制造工艺和适用的场合也不同，如图1所示。

3.1.1 永磁体表装式转子结构

（1）表贴式。如图2（a）所示为表贴式。表贴式转子制造工艺简单、成本低。永磁磁极易于实现最优设计，可使电动机气隙磁通密度波形接近于矩形波或正弦波，能显著提高电动机及整个传动系统的性能。对于采用稀土永磁材料的电机而言，由于永磁材料的磁导率接近1，与空气相当，故电动机定、转子之间永磁体部分空间按空气隙处理，电动机的整个气隙可以认为是均匀的，因而表贴式转子属于隐极式转子结构。在电磁性能上，这种永磁电动机与电励磁隐极同步电动机接近。

图2 永磁体表装式转子

（2）表面嵌入式。如图2（b）所示为表面嵌入式结构。与表贴式相比，这种转子的电机气隙不再均匀，定子铁芯内圆对应永磁磁极段的气隙要大于对应极间铁芯段，转子呈现凸极特性，这种永磁电动机电磁性能与电励磁凸极同步电动机接近。

3.1.2 永磁体内置式转子结构

这种结构中，永磁体位于转子内部。永磁体外表面与转子铁芯外圆之间有铁磁材料制作的极靴，极靴中放置铸铝笼或铜条笼，起到起动和阻尼的作用。这种构造的永磁同步电动机动态、稳态性能俱佳，广泛用于要求有异步启动能力或动态性能要求很高的同步电动机，除伺服驱动电动机以外，部分动力型永磁同步电动机通常也采用这种结构。

按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，内置式转子结构又可分为径向式、切向式和混合式3种。如图3（a）所示为常见的径向式结构，图3（b）所示为切向式结构。

3.2 永磁同步伺服电动机的两种类型及各自特点

对于永磁同步伺服电动机而言，通常将电枢绕组中反电动势波形为梯形波、电枢电流为方波的永磁同步电动机称为方波永磁同步电动机，也叫做无刷直流电动机（BLDCM）；而将反电动势波形和电枢电流波形为正弦波的永磁同步电动机称为正弦波永磁同步电动机（PMSM），这两种永磁同步电动机在结构上几乎完全相同，但工作机理、电磁模型以及控制方法上均有所不同。

BLDCM 通常采用120°导通型逆变器，电动机的供电电压为直流矩形波。一般情况下，定子三相绕组为每次一相通电或每次二相同时通电实现轮流导通，并在一相或二相电枢绕组内流过接近矩形波的断续电流，从而在气隙内形成跳跃式的旋转磁场，由于电枢电流稳恒，该类电机具备直流电动机的本质属性，故人们通常将一台定、转子反装的有刷永磁直流电动机来与其作比较。PMSM 通常采用180°导通型逆变器，电动机供电电压为三相正弦脉宽调制波，定子（电枢）三相绕组同时导通，并流过三相对称的接近正弦规律的连续电流，在气隙中形成连续的旋转磁场，这使得该类电机具备三相交流电机的本质属性。

4 结束语

综上所述，伺服电动机是基于控制工程衍生出来的一个新概念，其不能按传统电机分类方式进行归类，可能由各种传统类型电动机植入新的要素后改进发展而来，其品质的优劣也须从其控制输出参量的精度、响应的快速性、运行的稳定性等方面进行鉴定。PMSM、BLDCM 并非完全不相干的两类电动机，具有相同的结构，但因其驱动控制方式上的差异导致了在电磁行为上各自具备了交流电动机及直流电动机的特征，故将其统一归于“永磁同步伺服电动机”。