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纯干货!高清图解内置永磁体伺服电机

2017-11-14 09:23:50     来源:微电机世界网        

【大比特导读】多年来永磁电动机市场一直是由表面永磁体(SPM)电机主导的。 尽管内置永磁体(IPM)技术也经常受到业内人士的广泛关注,例如:

多年来永磁电动机市场一直是由表面永磁体(SPM)电机主导的。 尽管内置永磁体(IPM)技术也经常受到业内人士的广泛关注,例如:能够帮助电机提供更高效的扭矩输出(尤其是在高转速范围时)、被认为适用于(机床)主轴和牵引负载...等应用,但由于复杂的加工技术和较高的制造成本,这项技术并没有在工业制造领域得到广泛普及。

内置永磁电机1

近期,罗家发布了一款采用了内置永磁体(IPM)技术的 Kinetix VPC 系列伺服电机,不知道这是否代表着伺服电机的一个发展趋势。

内置永磁电机2

外观上看,VPC 保持了和罗家以往伺服电机 MP 和 VP 系列相同的法兰样式,但在电机本体外壳处理上,少了电机侧面的过渡斜角,显得更加方正。

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外形方正的一个主要原因,应该是在于 VPC 有了用于强制风冷的散热风道,以提升连续功率输出。按照我们之前关于「电机特性曲线」的推文中所说,改善电机的散热特性,有助于提升其连续输出功率和扭矩。

不过这种强制风冷的做法在业内并非什么新技术,只不过对于罗家来说,这是首次在其伺服电机产品上成为一个标准的产品选项。

⚠️ 以往罗家电机只有在其 MPL 系列的 B980 款上增加了一个型号的定制风扇选项。

内置永磁电机4

拆开轴端法兰,来看一下电机内部有何特别之处。

内置永磁电机5

和 VPL 系列电机一样,VPC 也为用户提供了可选的轴封选项,这可以将电机轴侧防护等级提升到 IP65。当需要提升法兰侧轴端防护等级时,尤其是当电机轴向上安装时(参照:电机防护等级),用户无需订购电机和轴封两个型号的产品,并且省去了复杂的轴封安装过程。

内置永磁电机6

另外,官方资料显示,VPC 采用了具备 L10 级使用寿命的轴承。

内置永磁电机7

接下来我们就要看最重要的部分了。

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就是转子中内置永磁体的布局。

内置永磁电机9

从前面几张图可以看出 VPC 转子上永磁体的布局与传统伺服电机的不同,是嵌在转子磁钢内部的,而不是贴在其磁钢体的表面。

内置永磁电机10

内置永磁体(Interior Permanent Magenet),简单来说,就是通过将永磁体嵌入转子磁钢内部,优化转子磁场布局,提升转子和定子线圈磁场作用力效率,帮助电机达到更优质的扭矩输出性能。

引用罗家官方资料中的表述:借助内置永磁体技术,VPC 可以达到 IE4 标准的能效;配合 Kinetix 5700 伺服驱动器,VPC 能够提供较低纹波的转矩输出,以获得更平滑的运控动力性能。

内置永磁电机11

同时,在需要连续运转的传动应用中,内部永磁体技术能够帮助电机在高转速时提供有效的扭矩输出。

这一点,从 VPC 的电机特性曲线上就可以看出来。

内置永磁电机12
 
内置永磁电机13

例如上面这台型号为 VPC-B30029 的电机,其堵转扭矩 > 100Nm,额定转速为 1500 RPM,但在最高转速 3000 RPM 时,依然能够提供 >40Nm 的连续扭矩输出。这对于普通 SPM(表面永磁体)伺服电机来说,要在如此大的功率级别有这样的高速扭矩输出特性,几乎是不可想像的。

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按照官方资料说法,要获得上述高速扭矩输出特性,需要让 VPC 工作在弱磁模式下,以扩大其速度范围。

 

内置永磁电机15

来到尾部,可以看到为电机提供强制风冷动力的冷却风扇。

内置永磁电机

尾部风扇是个可选组件,同时也是可以拆卸的,方便维护。这和目前大部分伺服电机在冷却风扇上的做法是类似的。

内置永磁电机17

拆下风扇,露出罗家伺服电机尾部标志性的 Logo 样式,这就是没有冷却风扇的 VPC 电机末端。

内置永磁电机18

拆下电机尾部端盖,可以看到其轴末端的伺服反馈编码器。

VPC 提供三种不同的反馈类型选项。

内置永磁电机19

Hiperface DSL:

23 位分辨率,单圈分辨率最高可达 8,388,608 个计数,多圈绝对值反馈,最大记录 4096 圈;

SIL2/PLd 安全等级,第二安全通道为 12 位反馈;

采用与动力线集成到一根电机电缆中的两芯高速数字通讯反馈

内置永磁电机21

Hiperface:

每圈 1024 个 sin/cos (正余弦)周期,分辨率可达每圈 21 位(2,097,152 个计数),单圈绝对值反馈

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• EnDat 2.2

每圈 25 位(33,554,432 个计数)的分辨率,多圈数字式绝对值反馈,最大记录 4096 圈

内置永磁电机23

机械安装方面,除了传统的法兰安装,VPC 还提供了底座安装方式。这可以让一些大功率的电机应用变得更加方便灵活。

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和 VPL 一样,VPC 可以使用单电缆作为电气连接,不过需要注意的是,这只适用于 Hiperface DSL 的反馈类型。

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对于 Hiperface 和 Endat 2.2,仍然需要使用两根电机电缆,一根反馈,一根动力(+抱闸)。

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据了解,目前能够与 VPC 适配兼容的驱动器,只有罗家 Kinetix 5700,较早前发布的 Kientix5500 和罗家的 PowerFlex 系列变频器貌似都并没有在推荐使用之列。目测这和 VPC 采用内置永磁体技术,需要工作在弱磁模式下有一定关系。因此,VPC 更像是一款用于罗家运控系统的伺服电机,其他运控系统用户要使用到这款产品,难度还是比较大的(至少现阶段是这样的)。

那么,问题来了,罗家为何要发布这样一款伺服电机呢?

如果对罗家运控产品稍有了解,就应该不难看出 Kinetix 系列这几年正在经历着一轮产品和技术的迭代和更新。

一方面,Kinetix 驱动器从原来采用 SERCOS 运控总线,升级到新一代基于 EtherNet/IP 的 Kinetix 5500 和 Kinetix 5700;同时 Kinetix 的驱动功率也从原之前 22kW,提升到 60kW。

内置永磁电机

另一方面,伺服电机从原来使用 Hiperface Stegmann 接口,进化到新的 Hiperface DSL 伺服反馈协议,有了使用单电缆技术的 VPL 系列伺服电机。

但在这里面其实有个比较尴尬的状况,就是新一代单电缆 VPL 电机的连续堵转扭矩输出最大只有 32 Nm,最大(连续)功率输出仅 7kW,只能匹配 Kinetix 5500 或者 Kinetix 5700 的低功率(双轴)轴模块,而如果在设备中需要有 32Nm 以上的连续扭矩输出,在罗家的 Kinetix 运控架构体系中,就只能用回之前需要两根电缆连接的 MP 系列伺服电机。

内置永磁电机28

而从 VPC 的输出扭矩范围看,很明显罗家是想用这样一款产品来补足其 Kinetix 体系中的一个重大空缺。

可话说为什么要采用内置永磁体技术呢?这个,我觉得就需要从罗家运控产品的行业特点去分析了。

罗家产品所面对的行业应用很多都需要使用到大功率的伺服电机,例如:轮胎、生活用纸、食品饮料、包装...等等,大量运控应用正在对连续高速运动中的电机有着越来越高的性能要求,比如:物料的连续处理、收放卷、张力控制、相位同步...等等;使用内置永磁体技术,将有助于提升电机在连续高速运转时的输出特性。

另外,罗家这几年一直在倡导运控系统的优化,借助内置永磁体技术,将可以提升电机在连续高速运转时的能效。换言之,使用同等标称规格的驱动器和电机,能够达到更大的实际扭矩和功率输出;或者在需要相同扭矩输出的前提下,可以使用更优化的驱动器和电机组合。这将在一定程度上帮助罗家提升其产品在设备应用中的竞争力。

最后,我认为是最重要的一个因素,就是成本,因为采用内置永磁体技术,将可以帮助节省在电机内使用的永磁体的数量。目测这几年稀土材料(也就是磁铁矿石)价格的快速上涨,对罗家此次作出这样的产品决策有着非常重要的推动作用。除此以外,当然也不排除其在内置永磁体电机的生产制造技术上有了某种重大突破的可能。

本文由大比特资讯收集整理(www.big-bit.com)

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