1、2023 年3 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.6 第 38 卷第 6 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.221693 有限转角力矩电机及其研究发展综述 王铭杰1 李大伟1 曲荣海1 黄礼浩2（1.强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）武汉 430074 2.中国航发控制系统研究所 无锡 214063）摘要 有限转角力矩电机（LATM）具有结构简单、控制方便、可靠性高、力矩密度大等优点，因而其作为一种在有限转角内直驱工作的电动
2、作动器已广泛应用于国民经济的诸多领域。该文首先介绍了 LATM 的理论基础，包括 LATM 的工作原理、矩角特性、主要拓扑结构及其演变思路，并补充了一些特殊的拓扑结构。其次，归纳了 LATM 的设计方法，并分析了如何抑制 LATM工作区间内的力矩波动、提升区间内的输出力矩以及拓宽工作区间。然后，讨论了 LATM 在是否考虑非线性时的数学模型与控制方法。最后，对 LATM 的应用领域进行了归纳和介绍，总结展望了 LATM 及其相关技术研究的主要发展方向。关键词：有限转角力矩电机 拓扑 设计方法 矩角特性 数学模型 控制方法 中图分类号：TM359.6 0 引言 有限转角力矩电机（Limited
3、Angle Torque Motor,LATM）是一种无需另加其他机械装置便能在一定的角度内绕轴线转动或者往复摆动的电机1-2。其常作为电动作动器，应用于有限转角内力矩要求小于1 kNm 的电动直驱工作3-7，相比于传统的液动和气动作动器，无需管道等设备，且可线控驱动；相比于基于电机带减速齿轮箱的电动作动器，没有机械上的非线性问题，从而可用于精确定位8-9。由于LATM 具有结构简单、控制方便、可靠性高、力矩密度大等优点10-11，基于各种工作原理的 LATM 得到了快速发展，并广泛应用于阀门1217、磁盘存储器18-19、卫星遥感20-21、天线定位22、舵机23、高压断路器24、医疗机械2
4、5、阻力伞锁26、高速扫描振镜27等领域。目前，国内外对于 LATM 的研究主要集中于工业界，针对 LATM 的归纳很少17,28。此外，应用领域对于 LATM 的特性需求具有特殊性，使得有关设计、优化等各方面的考虑与以往针对传统旋转电机的有较大出入。为此，本文回顾总结了国内外学者在 LATM 方面的研究工作，首先，简述了 LATM 的工作原理和矩角特性，介绍了主要的拓扑结构及其演变思路，并补充归纳了一些特殊的拓扑结构；其次，根据 LATM 设计考虑上的特殊性，归纳总结了设计方法和矩角特性优化的研究现状；然后，针对LATM 的控制问题从数学模型和控制方法两个角度进行综述；最后，介绍了 LATM
5、 的主要应用领域，并探讨了 LATM 未来发展的方向。1 LATM 拓扑结构 1.1 工作原理与矩角特性 由于 LATM 的工作原理可以参考传统的直流有刷电机，从而也被称为有限转角无刷直流力矩电 机1。直流有刷电机的示意图如图 1 所示，图 1 中，为转子转角位置。在直流电机中，励磁磁场尽可能设计为等气隙磁通密度，以感应梯形反电动势波，在换向器的作用下每一主极下的电枢电流方向一致，使得电机可向某一方向连续旋转，多个线圈串联从而输出几乎恒定的力矩。如果电刷随电枢一同旋转，使得各线圈成为连接关系固定的单相绕组并采用柔软导线引出，则通以某一方向电流后，转子向某一方向可转动的角度范围不超过 180 ，
6、也即实现了有限转角运动。变换电流的方向就能改变输出力矩的方向，实现转子向不同转向的偏转。国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（52122705）和国家自然科学基金重大项目（51991382）资助。收稿日期 2022-09-06 改稿日期 2022-11-09 第 38 卷第 6 期 王铭杰等 有限转角力矩电机及其研究发展综述 1487 图 1 有限转角力矩电机工作原理说明 Fig.1 Illustration of the working principle of LATM 输出力矩与转子转角的关系即 LATM 最重要的 特性矩角特性。如图 1 所示，假定在可转动范围内，绕组输入某一方向的正向
7、电流时，转子上输出力矩为正的转向为正转角方向。则绕组输入恒定正向的直流电流、转子从负最大转角1正向旋转到正最大转角1的矩角特性如图 2 所示，图中，p为极对数，T 为输出力矩，TN为额定输出力矩。该特性中的恒力矩区间（Constant Torque Range,CTR）也即 LATM 的工作区间，CTR 内要求输出力矩的大小与输入电流成正比，与转速以及转子位置无关。CTR 的大小与区间内输出最大力矩的大小是 LATM的两个最重要的静态性能指标。图 2 有限转角力矩电机恒力矩区间 Fig.2 Illustration of the CTR of LATM 1.2 主要拓扑与拓扑演变 1.2.1
8、拓扑的分类与演变 LATM 的结构种类繁多，其分类方式亦有多种，如可按励磁方式分为电磁式和永磁式，永磁式又可按照运动部件分为动圈式、动永磁体式和动软铁 式2-3，按照运动方向还可以分为单向旋转和双向旋转29等，图 3 给出 LATM 按励磁方式的分类30-31。由 1.1 节中的有限转角无刷直流电机可知，双向旋转 LATM 工作时具有以下特征：转子处于零位时，两个正交作用的磁动势使得转子旋转；随着转 图 3 有限转角力矩电机拓扑分类 Fig.3 Classification of LATM topologies 子向某一方向旋转角度的增大，两个磁动势方向夹角减小直至同向。以下依据结构特点分为两
9、条思路，由有限转角无刷直流电机通过结构演变得到几种LATM 的主要拓扑：由有限转角无刷直流电机演变为环形铁心式 LATM，如图 4 所示；由有限转角无刷直流电机经继电器原理式到双边电励磁式最后演变为等极槽式 LATM，如图 5 所示。图 4 环形铁心式有限转角力矩电机拓扑演变 Fig.4 Topological evolution of toroidal LATM 演变思路一：对有限转角无刷直流电机，定转子互换且转子的电励磁凸极结构变为永磁式结构即得到环形铁心齿槽式 LATM；再将定子变为无齿槽结构、鼓形绕组改用环形绕组即得到环形铁心无齿槽式 LATM。1488 电 工 技 术 学 报 202
10、3 年 3 月 图 5 等极槽式有限转角力矩电机拓扑演变 Fig.5 Topological evolution of equi-polar slot LATM 演变思路二：对有限转角无刷直流电机，将定子磁极开槽并嵌放原位于转子上的电枢绕组，经由极靴以继续提供水平方向的电枢磁动势，磁极改由竖直方向上励磁的永磁体经过磁轭和极靴继续提供竖直方向上的励磁磁动势，同时转子变为凸极铁心以产生磁阻转矩旋转，从而得到了中间结构 a；中间结构 a 的圆形拓扑变为方形拓扑，集中绕组改用缠绕于定子轭部的环形绕组，即得到了继电器原理式 LATM；再将定子上的永磁体和绕组分别用绕组和永磁体替换即得到了中间结构 b；将
11、中间结构 b定子上的永磁体变为凸极铁心转子上的励磁绕组，以继续提供水平方向上的磁动势，即得到了双边电励磁式 LATM；再将方形拓扑变为圆形拓扑，电励磁凸极转子变为永磁式结构，即得到了等极槽式 LATM。以上拓扑的工作原理由演变过程不难看出。需要说明的是，早期 LATM 的方形拓扑或电励磁结构是受限于永磁体材料的发展所造成的。实际上，中间结构 a 以及永磁体表贴式结构都是在稀土永磁体发展以后才得到应用，近年来，国内有学者针对中间结构 a 进行研究32-35。由以上演变可见，等极槽式其实就是继电器原理式的优化结构。而永磁体表贴式转子结构的环形铁心式和等极槽式 LATM 也是目前应用最为广泛的两种拓
12、扑结构。1.2.2 主要拓扑介绍 继电器原理式（Lawss relay）首先于 1952 年由 A.E.Laws 提出，其工作原理基于“磁阻最小原理”且存在多种变体结构。作为最早的定子永磁式无刷电机36，继电器原理式的电枢绕组和励磁永磁体均在定子侧，这使得其转子结构简单、坚固可靠。继电器原理式常见为如图 5 所示的两极旋转结构，但是采用多极、电励磁及直线结构也都是可行 的6,37-38，一种直线结构如图 6 所示。图 6 继电器原理式直线作动器38 Fig.6 Lawss relay linear actuator38 对于 LATM 的理论研究，直到 1978 年，英国的 C.Dawson
13、和 H.R.Bolton 才首次对双边电励磁式 LATM 的矩角特性进行了分析，并指出了矩角特性中力矩的变化主要受定子铁心饱和的影响4。由于双边励磁使得定子铁心不易出现饱和，因而其相较于继电器原理式有更大的 CTR，但两种结构均因存在磁阻转矩使得矩角特性为穹顶形状。由于仅在有限转角内转动，双边电励磁式的转子励磁绕组可以直接由柔软导线作为引出线。同样是 C.Dawson 和 H.R.Bolton，在 1982 年首次对环形铁心无齿槽式进行了分析31。环形铁心式与双边电励磁式均出于扩大 CTR 的需求于同一时期被提出。早期的环形铁心无齿槽式与双边电励磁式的矩角特性类似，二者最大区别在于环形铁心 第
14、 38 卷第 6 期 王铭杰等 有限转角力矩电机及其研究发展综述 1489 式采用了永磁转子因而没有绕组焦耳损耗以及引出线，二者之间的经济性比较与电机的尺寸有关。理想情况下，图 4 中径向充磁的稀土永磁表贴式转子与气隙中均匀电枢绕组作用，有 coilPMCTR2p=（1）式中，CTR为恒力矩区间的大小；coil为绕组相带所占总的机械角度；PM为永磁体所占总的机械角度。当电流一定时，永磁转子的极弧系数 与矩角特性波形的关系如图 7 所示，该图亦反映了工作区间内的力矩幅值与 CTR 的矛盾关系。图 7 环形铁心无齿槽式有限转角力矩电机的矩角特性 Fig.7 Torque-angle charact
15、eristic of toroidal slotless LATM 随着永磁体材料的发展，环形铁心无齿槽式因其出色的 CTR 而迅速占领了 LATM 的市场，目前有关 LTAM 的文献大多都是对环形铁心式特别是无齿槽式 LATM 的研究17,29,31,39-51。由于环形铁心无齿槽式 LATM 的绕组直接存在于气隙中且绕组利用率低导致其力矩密度较低，同时为获得理想的输出性能，该结构对于绕线的工艺有一定的要求，如要做到每层导体数相等以获得在铁心内圆上均匀排列的电枢绕组39,41。出于提升力矩密度的目的，学者们提出了环形铁心齿槽式 LATM。其绕组嵌放于定子槽中从而增大了气隙磁通密度，同时齿槽结
16、构为绕组提供了更好的散热条件，从而提高了工作电流密度。然而，环形铁心齿槽式有限转角力矩电机的矩角特性如图 8 所示，定子开槽引入了齿槽转矩从而影响了其应用40,45。等极槽式同样在永磁体材料发展以后得到应用。由于其 CTR 同样受齿槽转矩的影响而难以确定，因而应用并不如环形铁心无齿槽式广泛，多见于相关文献中对已有工业产品的介绍，直到 1994 年，图 8 环形铁心齿槽式有限转角力矩电机的矩角特性 Fig.8 Torque-angle characteristic of toroidal slotted LATM M.Christian 才直接对等极槽式结构进行研究分析52。该结构巧妙地利用了等极槽结构的特点，从而在一定区间内避免了定子开槽带来的影响，当铁磁材料处于线性状态时，其齿槽转矩可以用单极-槽口单元模型来分析。当转子在图 5 所示磁极对着槽口位置左右两边的工作区间内转动时，如果定子铁心材料始终处于线性状态，则在该区间内磁阻与磁共能大小基本保持不变，也即齿槽转矩基本为零。由于产生明显齿槽转矩的区间通常大于槽口宽，因而等极槽式的 CTR 大概为一半的槽距角53。考虑到齿槽转矩以及铁心
