机器人用直驱永磁电机研究与发展综述

郭有权，司纪凯，刘群坡，李应生，曹文平

(1.河南理工大学，焦作 454003；2.郑州润华智能设备有限公司，郑州 450001；3.阿斯顿大学,伯明翰 B47ET,UK)

0 引 言

近来年，随着产业结构的转型与升级，机器人技术被看作是未来高技术、新兴产业发展的重要方向之一，已经引起了科学界与学术界的高度重视[1]。直驱永磁电机用作机器人的动力源，具有极大地应用潜力，也成为了近年来研究的热点之一。为了弥补传统机器人因减速器而存在传动间隙大、齿轮磨损、维护频繁、机械噪声和效率低下等缺陷，研究人员提出了具有效率高、损耗低控制精度高和安装维护方便等优势的机器人用直驱永磁电机，优化了传动系统，显著提升了机器人的系统性能。

直驱永磁电机直接驱动负载,提高了机器人工作效率等性能，但也有新问题随之产生。机器人驱动系统中的各种扰动直接作用到电机上，直驱永磁电机对转矩波动、电机参数和负载转矩变化的敏感性增强，从而影响传动和定位的准确性。对于系统控制，机器人运行系统中的不利因素将直接作用到负载上，系统控制变得更加困难，还可能出现谐振现象。低速时，直驱永磁电机作用在机器人负载上的不利影响将被放大，显得尤为突出，比如磁阻效应、齿槽效应、高次谐波脉动等[2]。针对上述问题，如何提高机器人用直驱永磁电机的性能，国内外学者对此做出了大量的研究工作。在直驱永磁电机的设计中，为了获得低速大转矩等特性，电机必须采用粗短的电枢结构和多极化；在电机性能优化上，采用分数槽绕组、极/槽数配合、斜极和斜槽等方法减小磁动势谐波含量、电机振动、齿槽转矩和径向力的脉动；在直驱永磁电机磁场解析上，主要有等效磁路法、磁网络法、解析法和数值解析法，以及由电磁场解析法衍生出的方法；在控制方面上，提出矢量控制、直接转矩控制和智能控制等控制技术。

文献[3]分析了机器人结构模型，得到直驱式永磁电机的输入参数；对比西门子电机的技术指标和外形尺寸，采用场路结合法对电机进行磁路设计分析，不断地优化永磁体形状和减小齿槽转矩，提高直驱永磁电机的性能。文献[4]针对电机使用的特殊环境，设计了一种直驱低速大转矩的永磁同步电机，采用有限元法对电机进行仿真和优化，验证了该结构设计能够显著提高驱动系统的整体性能。文献[5]为了准确评估滑槽效应，提出了一种用于计算直驱式永磁电机气隙磁密的半分析法，经过不断实验，验证了这种方法的准确性和可靠性。文献[2] 基于机器人直接驱动方式的特点，分析了永磁同步直驱电机的控制技术，利用MRACS与模糊算法相结合的控制技术进行仿真，验证各种算法的准确性。文献[6]对比分析了交流异步减速电机和直驱永磁电机在复杂工况、负载变化情况下的运行情况以及性能，验证了直驱永磁电机在实际应用中具有的优良性能。文献[7]介绍了机器人用直驱永磁电机的伺服控制、混沌控制和弱磁调速控制等控制技术。

本文参考并总结了近年来国内外研究学者在机器人用直驱永磁电机方面所做的研究，从电机的磁路方面，分析了目前机器人用直驱永磁电机的结构类型；从电机设计优化、磁路计算及优化、应用领域和控制方式等方面总结了目前的相关研究现状；讨论了机器人用直驱永磁电机未来的研究发展方向。

1 直驱永磁电机结构类型

随着电力电子、计算机控制和机电一体化等技术的不断发展进步，各种直驱永磁电机被广泛地应用于机器人。下面按照机器人用直驱永磁电机磁通方向，介绍了其结构、工作原理和研究现状及优缺点。

1.1 径向磁通永磁电机

径向磁通永磁电机是由永磁体产生的磁场沿径向穿过气隙、定子和转子形成闭合回路而定义的，也是目前市场上最多、最常见的永磁电机类型。径向磁通永磁电机以其结构简单、技术成熟、制造方便以及少漏磁的优点，被广泛地应用于各个领域。

径向磁通永磁电机的研究已经相当成熟，其定子结构基本一致，区别在于转子结构，主要有转子位于定子内侧的内转子结构和转子位于定子外侧的外转子结构。内转子结构是最传统的结构类型，如图1(a)所示，该结构具有体积小、通风效果良好和温升低等性能；外转子结构具有永磁体安装方便、转子可靠性高等优点，但其转动惯量大、通风效果不佳，其结构如图1(b)所示。

近年来，研究学者提出了一种新型径向磁通永磁电机，通过Halbach阵列使磁通量集中来提高电机的性能；实验证明铁磁转子磁轭能够增大转矩，而非磁转子磁轭能够提高功率因数[8]。结构如图2所示。

新型径向磁通永磁电机定子有20个电枢齿，每个电枢齿含有两个通量调制极；采用分数槽单层集中绕组实现各相之间电、磁和热等物理量的隔离，显著地减小端部绕组的长度和铜耗；外转子结构增大了电机的转矩密度，提高了定子的空间利用率。

(a) 内转子

(b) 外转子

图2 新型径向磁通永磁电机结构

为了进一步提高电机的转矩密度和结构紧凑程度，径向磁通永磁电机采用多转子或多定子复合结构[9]。双定子永磁电机减少齿体宽度来固定绕组，采用将磁体形状制成为具有平行磁化方向的矩形、转子靴固定永磁体和制造转子孔等方法来固定转子支撑件以及组合转子心和永磁体；永磁体悬突的转子结构也是其独特创新之处，其结构如图3所示。

图3 双定子径向磁通永磁电机结构

英国Cytec公司研制的TK系列无框架式径向电机具有良好的性能，但仍存在径向结构的固有限制，即电磁竞争关系没有得到有效解决，功率密度低，价格高等。它与普通径向电机参数的比较如表1所示。

表1 Cytec径向电机与普通径向电机的参数比较

径向磁通永磁电机是最常规、最普通的永磁电机形式，其结构简单，漏磁小等优势非常有利于机器人的装配，并且维护方便；但是存在体积大、轴向长度大等不足，不利于机器人的微型化发展。

1.2 轴向磁通永磁电机

轴向磁通永磁电机在过去30年一直都是全球范围内的重要研究工作主题，发展至今，技术已经相当成熟。与径向磁通永磁电机相比，轴向磁通永磁电机整体呈盘状，轴向长度短，故又称盘式电机。轴向磁通永磁电机有转矩大、功率密度高、轴向长度短、结构紧凑、体积小和质量轻等优点，广泛应用于汽车、轮船、风力发电以及机器人等领域。

轴向磁通永磁电机的定转子对称放置，并呈圆盘形；对称排列的定转子使其具有良好的散热性和高功率密度。轴向磁通永磁电机的结构类型有单定子-单转子、双定子-单转子、单定子-双转子和多级结构4种类型[10]，依次如图4所示。

(a) 单定子-单转子

(b) 双定子-单转子

(c) 单定子-双转子

(d) 多级结构

上述4种结构的主要区别在于产生力矩的能力，也为轴向磁通永磁电机在不同场合的应用提供了更多的选择。研究结果表明，在电机的基本参数确定的情况下，转矩随着级数的增加而增大，多级结构转矩最大，双定子-单转子结构和单定子-双转子结构次之，单定子-单转子结构最小；结构难度随着转矩变大而增加。因此结构的选择要根据具体情况而定，做到既符合要求又节约资源。

近年来，研究人员提出了一种新型的多级轴向磁通永磁电机拓扑结构。这种新型多级永磁电机采用开槽磁钢拓扑结构、电枢分段(YASA)、无轭定子、椭圆形定子齿和柔性电源电路等方法实现模块化；电枢结构是NN圆环的卷绕结构与拓扑NS圆环的短定子轭结构结合而来的。以两级的2kW,1 000 r/min的10极12槽的MM-AFPM为例，其参数如表2所示[11]，其结构与磁路如图5所示。

表2 MM-AFPM参数

MM-AFPM由2个分段的无轭定子和在3个转子上的4个PM层组成，如图5(a)所示；图5(b)显示了MM-AFPM的基本通量路径。

轴向磁通永磁电机具有结构多样，力矩密度大，低速运行平稳等优势，使得机器人的直驱方式特性得

(a) 结构3D模型

(b)基本磁路

到了更好的发挥。但该电机结构复杂，制造困难，不便于安装与维护；作为机器人动力源还处于实验研究阶段，仍有漏磁大以及转矩脉动大等问题需要解决。

1.3 横向磁通永磁电机

为了克服传统永磁电机增加磁通量和电流密度乘积相制约的矛盾，获得更大的转矩密度。针对这一问题，国内外学者在理论和实践等方面做出了大量的研究和探索，也取得了较大的成果。德国HerbertWeh教授于20世纪80年代初期提出的横向磁通永磁电机(以下简称TFPM)是最具代表性的[12]，其结构如图6所示。

图6 横向磁通永磁电机结构

TFPM的结构克服了普通电机电枢线圈和定子槽在空间上相互制约的困难，形成相互垂直的结构，而这种结构能够使主磁路与绕组结构相互独立，定子尺寸设计不受绕组结构的限制。电机的设计方便灵活，定子磁场和转子磁场能够解耦，获得更高的电磁气隙力密度和良好的运行特性。与传统电机相比，TFPM能提高电机的稳定性和可靠性等特性。磁路的空间性既是TFPM的优势，也是制约其进一步推广的因素。

针对如何改善TFPM的结构复杂性及加工难度，研究学者提出了一种新型组合式TFPM。四相组合式的多极结构TFPM是由多模块组合而成，每相模块采用组合式定子来降低加工难度和采用聚磁式转子来提高气隙磁通以及使用集中式环形电枢绕组降低绕制难度[13]，其结构如图7所示。

图7 四相组合式的多极结构TFPM

为了避免磁路中长路径的出现，相邻两相以相同磁钢极数顺序排列使转子磁钢位置对齐，定子相互错开一个极距，使相邻两相间形成磁通短路径。每相均为双气隙结构，提高了气隙磁通密度，得到更大的输出转矩。电机的整体是由多相模块化构成，相互之间互不干扰，提高了电机整体的容错性。

与外转子永磁爪极电机不同，新型外转子横向磁通永磁爪极电机的转子由一个内表面内置永磁体的非导磁圆筒构成，2个法兰盘较短的爪极相对装配[14]，结构如图8所示。

(a) 内定子结构

(b)外转子结构

新型外转子横向磁通永磁爪极电机具有结构简单、可靠性高、高槽满率、转矩密度大和易实现多极化等优势，使其被广泛应用于汽车领域；在风力发电、调速和伺服以及机器人等领域也有很好的应用前景。但是这种结构并不完善，仍有许多问题尚未解决，处于探索阶段，比如功率因数较低，需要较高的驱动变换器功率等级等问题。

2 直驱永磁电机设计分析方法

机器人用直驱永磁电机需要根据实际的工况来设计，因此合理的磁路分析方法对快速设计电机非常重要。目前直驱永磁电机设计分析方法有很多种，主要有等效磁路法、磁网络法、解析法和数值解析法，以及由电磁场解析法衍生出的方法，诸如场路耦合法、解析数值结合法。

等效磁荷法是依据等效磁荷理论，利用磁体中假设的磁荷来产生磁体空间磁场，磁场强弱由磁化强度决定，因此磁体磁场可以用按照一定规律排列的磁荷来等效[15]；全局解析法是整个定子以槽数均分成相互独立的子区域，分析单个子区域以及独立区域间的影响，得到全局的解析[16]。数值解析结合法将所求区域划分为许多细小的网格，利用网格边界和节点将网格相互连接在一起，建立以所有网格各节点为未知量的代数方程组，求解方程组得到各节点的函数值。数值解析结合法主要用于求解电机的磁场问题，将电机的求解区域分为定子、转子和气隙3部分，定子和转子区域采用有限元法分析，气隙磁场采用解析法分析，利用磁场边界条件将两类方程组整合成一个完整的方程组。

上述的解析分析法均是针对具体的研究对象提出来的，也验证了它的准确可行性，但也存在相应的缺陷，能否进一步推广有待继续研究。等效磁荷法直观形象，计算量小，但使用局限性较大，结果不太精确，想要得到精确的结果必须借助于其他的分析方法；全局解析法计算结果精确，更接近于实际情况，但是计算过程复杂，使用范围有限；数值解析结合法综合了解析法表达式明确、易于理解和普适性的优势以及数值法的计算精确、运算量少的优点，是目前最有效、应用最广泛的磁路分析方法。

3 直驱永磁电机控制技术

机器人用直驱永磁电机具有较高的定位精度和动态特性。由于机器人对外部干扰和负载扰动更敏感，所以机器人用直驱永磁电机需要更好的控制技术来满足机器人直驱方式的要求。经过不断地研究和验证，变压变频调速控制、矢量调制方式、直接转矩控制以及近来发展起来的预测控制都是应用于实践的非常有效的控制技术。

变压变频调速控制是永磁电机调速系统技术最成熟、最完善、应用最多的控制技术，其具有直流传动特性以及体积小、质量轻、动态响应好、维护简单和节约资源等优点。变压变频调速技术取得了长足的发展，从推导过程也不难发现，这种控制技术对稳态问题有很强的实用性；对暂态问题有很大的局限性。

矢量控制理论具有效率高、可靠性高和转矩密度大等优势，被广泛应用于永磁电机[17]。永磁电机的矢量控制中采用电流控制较多，主要方式有弱磁控制、最大转矩/电流比控制和最大功率输出控制。矢量控制系统能够实现高精度、大范围调速和定位控制以及快速动态响应等良好特性，但是对转子磁链的难预测性、低速时电阻的影响较大和坐标变化的复杂性等问题都使得矢量控制实际应用与推广受到很大的阻碍。

直接转矩控制是为了弥补矢量控制系统本身存在的不足而发展起来的。直接转矩控制是由德国和日本学者首先提出的，利用转矩、磁链等两个滞环控制器输出值以及求解区域的定子磁链域等参数选择预测开关表中合适的电压空间矢量，继而控制转矩和磁链[18]。直接转矩控制不需要将交流电机解耦成等效电枢和励磁电流来控制转矩，也不需要进行相当复杂的坐标旋转变换和矢量等效变换，只需要在保证定子磁链幅值不变的前提下，调节负载角控制转矩。直接转矩控制也存在一些不足，诸如其磁链和转矩的脉动比较大、逆变器的开关频率会随着磁链、负载转矩以及转矩滞环控制的滞环宽度等变化而改变等。

目前，为了改善直接转矩控制存在的不足，研究人员已经提出了改进的控制技术[19]，比如基于恒定开关频率的直接转矩控制算法，结合矢量法的直接转矩控制技术，无位置传感器直接转矩控制技术，都能有效地弥补直接转矩控制技术中存在的不足。

除了上述控制技术，近年来，预测控制技术被提出并不断得到推广应用[20]，预测控制基于稳态系统建立预测模型，不断滚动优化得到每个周期内的最优结果，对优化结果进行反馈校正，增强了系统的鲁棒性和可控性。在现场控制精度更高的要求下，单一的控制技术或理论已经不能满足需求，多种控制理论结合形成的新控制技术不断出现，诸如直接转矩矢量电压控制法，矢量变频调速法，预测矢量控制调速法。

4 直驱永磁电机的发展方向

直驱永磁电机具有大转矩、低损耗、动态响应速度快和高精度等优势，取代了原来的“电机+减速器”模式，使机器人的驱动系统性能大幅度提升，因此具有很大的应用潜力。

经过对现有的文献进行分析与总结，机器人用直驱永磁电机仍有许多问题有待进一步研究与分析：

(1) 直驱永磁电机拓扑结构设计研究。直驱永磁电机具有多种结构形式，拓扑结构多样化。永磁体的发展非常缓慢，这就使得如何有效地利用较少的磁体获得最大的转矩和采用何种拓扑结构才能尽可能地减小转矩波动成为研究重点方向之一。

(2) 直驱永磁电机磁场分析研究。直驱永磁电机的磁场分析方法直接影响所需参数的精确度，影响电机的性能。如何找到适合于直驱永磁电机，能够得到准确的各种磁密以及各种磁场损耗的磁场分析法是直驱永磁电机研究热点之一。

(3) 直驱永磁电机控制方法研究。直驱永磁电机控制需要较高的跟踪能力，对参数变化和外界扰动具有较强的鲁棒性，具有其他装置无法比拟的优良性能、高精度和高加速度等优势。直驱永磁电机控制技术目前以矢量控制技术和直接转矩控制为主，无位置传感控制技术为辅，可以说是相当成熟。但是系统相对复杂，控制起来非常不方便。如何找到一种控制过程简单的控制方法取代那些复杂的系统是直驱永磁电机研究方向和重点之一。