基於移相技術的雙轉子永磁環形力矩電機的製作方法

2023-10-11 13:45:09

專利名稱：基於移相技術的雙轉子永磁環形力矩電機的製作方法
技術領域：
本發明屬於電機技術領域，特別是涉及一種基於移相技術的雙轉子永磁環形力矩電機。適用於數控轉臺的驅動。
背景技術：
現有的用於高檔數控工具機精密轉臺直接驅動的環形力矩電機大多為單轉子電機，即採用單個電機直接驅動轉臺工作，有內轉子結構，也有外轉子結構。這類電機驅動的轉臺，未來充分利用轉臺內部空間結構，從而使得轉臺轉矩密度偏低。若採用兩個傳統方式的獨立電機構成內外環安裝結構來共同驅動轉臺，則會帶來兩套控制系統之間的功率匹配和同步控制等技術難題。而隨著現代工具機功率的不斷增大，所加工的工件體積(重量)也越來越大，因此又需要轉臺電機具有更高的轉矩密度，使轉臺具有高速度和高加速度，提高轉臺的動態響應特性。同時現代工具機加工精度要求又在不斷提高，要求轉臺驅動電機還應儘量減少轉矩波動，以進一步提高工具機加工精度和定位精度。而傳統永磁環形力矩電機齒槽轉矩波動就是影響工具機加工精度和定位精度的主要原因之一。

發明內容
針對上述存在的問題，結合轉臺結構特點，本發明提供一種基於移相技術的雙轉子永磁環形力矩電機，它是基於內外轉子結構採用移相技術的數控轉臺用永磁環形力矩電機。
本發明包括轉子法蘭、外轉子電機、內轉子電機、定子安裝冷卻結構，轉子法蘭為雙環結構，在轉子法蘭內外環之間的空腔中心部位有定子安裝冷卻結構，在冷卻結構和轉子法蘭內外環間分別安裝內轉子電機和外轉子電機，兩個電機的轉子共同連接在一個轉子法蘭上形成一個整體，內轉子電機和外轉子電機的定子齒均採用不等齒寬結構，即大齒的齒頂寬與磁極寬相等。
兩電機繞組採用集中式繞組形式，採用對應移相安裝方式，即兩電機轉子的磁極軸線重合，兩電機定子各相繞組軸線在徑向對應移相Δθ，或者兩電機定子各相繞組軸線重合，而兩電機轉子的磁極軸線在徑向對應移相Δθ 其中NP為電機的極數，NS為電機的槽數。
本發明的有益效果在總體結構上，採用了內外轉子結構，有效利用了轉臺內部空間，增加了轉臺驅動轉矩密度；同時在具體設計過程中，電機繞組採用集中式繞組形式，這種形式可以使繞組端部最短，從而降低了銅體積，減少了焦耳熱量的損耗，提高了電機整體效率，而且這種繞組形式的電機裝配工藝簡單。另外，電機採用不等齒寬結構，有效的提高磁鏈密度和繞組利用係數，從而提高了電機的平均轉矩。
本發明結合內外轉子永磁環形力矩電機結構特點，採用移相技術來進一步解決齒槽轉矩波動這一問題。通過內外轉子之間的相對移相，可有效消除永磁同步電機的齒槽轉矩對轉臺加工精度和定位精度的影響，降低控制器的設計和控制難度，並提高伺服系統的低速穩定性和定位精度，在現代工具機迴轉伺服進給應用以及機器人關節驅動應用中具有重大意義。


圖1是本發明的整體結構示意圖；圖2是圖1無轉子法蘭時的A-A剖視示意圖；圖3是圖2中的I部放大示意圖；圖4是電機不等齒頂寬與等齒頂寬結構放大比較，其中(a)為不等齒頂寬結構，(b)為等齒頂寬結構；圖5是兩電機對應移相安裝方式，圖中為內外轉子永磁磁極軸線重合，兩電機定子各相繞組軸線在徑向對應移相Δθ電角度安裝；圖6是內外轉子電機的定子繞組磁動勢向量圖以及它們的合成磁動勢向量圖，其中(a)為外轉子電機的繞組磁動勢向量圖，(b)為內轉子電機的繞組磁動勢向量圖，(c)為兩繞組的合成磁動勢向量圖；圖中1.轉子法蘭，2.內轉子電機轉子軛鐵，3.內轉子電機轉子永磁體，4.內轉子電機定子，5.冷卻套，6.定子安裝冷卻結構，7.外轉子電機定子，8.外轉子電機轉子永磁體，9.外轉子電機轉子軛鐵，10.移相角度，11.冷卻環，12.外轉子電機定子C相繞組，13.外轉子電機定子B相繞組，14.外轉子電機定子A相繞組，15.外轉子電機定子A相繞組軸線，16.外轉子電機轉子永磁體N極軸線，17.內轉子電機轉子永磁體N極軸線，18.內轉子電機定子A相繞組軸線，19.內轉子電機定子A相繞組，20.內轉子電機定子B相繞組，21.內轉子電機定子C相繞組，22.內、外轉子電機定子鐵芯，23.冷卻液通道，α-A相繞組軸線與N極永磁體磁極軸線間的相位角。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明做進一步描述實施例如圖1、圖2所示，本發明包括轉子法蘭1、外轉子電機、內轉子電機和定子安裝冷卻結構6，兩單元電機均採用96槽80極直線電機，串聯安裝，轉子法蘭1為雙環結構，在轉子法蘭1內外環之間為定子安裝冷卻結構6，在定子安裝冷卻結構6和轉子法蘭1內外環間分別安裝內轉子電機和外轉子電機，兩個電機的轉子共同連接在一個轉子法蘭上形成一個整體，定子安裝冷卻結構6包括冷卻環11和冷卻套5，在冷卻環11的內側和外側表面上均開有螺旋形冷卻液通道23，在冷卻環11兩側安裝有冷卻套5，在冷卻套5內外側分別嵌裝有內、外轉子電機定子鐵芯；內轉子電機和外轉子電機的定子齒均採用不等齒寬結構，即大齒的齒頂寬與磁極寬相等。如圖4(a)所示，可以將均勻分布的導體等效為集中在所畫槽口中心線上。若將套有集中繞組的齒頂寬增大到一個極距，則不等齒頂寬的等效繞組跨距y＝τ，短距係數達到1；而對於等齒寬結構，如圖4(b)，等效繞組的跨距y1＜τ。所以等齒頂寬電機繞組短距係數小於不等齒頂寬電機。又由於兩種電機繞組分布形式均為集中式，則兩者的繞組分布係數相同，因此不等齒頂寬的電機繞組利用係數大於等齒頂寬電機。這種結構有效的提高磁鏈密度和繞組利用係數，從而提高了電機的平均轉矩。
兩電機磁路互相獨立，內外轉子電機的磁極軸線重合，而兩電機的繞組軸線相差一定的機械角度Δθ，如圖5所示 相當於30°電角度，兩個單元電機三相繞組均採用星形連接結構，內外轉子電機定子齒採用不等齒結構，內外轉子電機轉予安裝成一個整體，如附圖1所示。
由附圖6可得到電機兩繞組的磁動勢合成向量圖。外轉子電機繞組磁動勢向量圖，如附圖6(a)所示；以外轉子電機的A相繞組軸線為基準，將內轉子電機的繞組軸線移相30°電角度，可得內轉子電機繞組磁動勢向量圖，如附圖6(b)所示。從單元電機矢量圖可以看出，外轉子電機和內轉子電機繞組三相旋轉磁場具有相同的旋轉方向，將兩個單元電機繞組合成矢量圖歸併到同一個圖中，如附圖6(c)所示。由於設計的單元電機極數多，並且槽數與極數較為接近，使得單元電機產生的齒槽轉矩波動頻率較高，所以兩個單元電機的繞組軸線夾角很小，不會對繞組利用係數造成很大的影響，以A相繞組為例，基波繞組利用率為0.966，可見繞組利用率仍然很高，所以這種繞組結構在削弱齒槽轉矩脈動的同時又保持了電機的較好電磁性能，符合繞組理論的基本要求。
將兩個單元電機中的六個相繞組分別進行星形連接後，在串聯實現三相供電方式運行。採用電流閉環正弦波脈寬調製控制方式，輸入的三相電流 的表示如下
權利要求
1.一種基於移相技術的雙轉子永磁環形力矩電機，包括轉子法蘭、外環電機、內環電機、定子安裝冷卻結構，轉子法蘭為雙環結構，在轉子法蘭內外環之間空腔中心部位有定子安裝冷卻結構，在定子安裝冷卻結構和轉子法蘭內外環間分別安裝內環電機和外環電機，兩個電機的轉子共同連接在一個轉子法蘭結構上形成一個整體，其特徵在於內環電機和外環電機的定子齒均採用不等齒寬結構，即大齒的齒頂寬與磁極寬相等。
2.根據權利要求1所述的基於移相技術的雙轉子永磁環形力矩電機，其特徵在於所述的兩電機轉子的磁極軸線重合，兩電機定子各相繞組軸線在徑向對應移相Δθ；或者兩電機定子各相繞組軸線重合，而兩電機轉子的磁極軸線在徑向對應移相Δθ，則 其中，NP為電機的極數，NS為電機的槽數。
全文摘要
一種基於移相技術的雙轉子永磁環形力矩電機，屬於電機技術領域。其結構包括轉子法蘭、外環電機、內環電機、定子安裝冷卻結構，轉子法蘭為雙環結構，在轉子法蘭內外環之間空腔中心部位有定子安裝及冷卻結構，在定子安裝冷卻結構和轉子法蘭內外環間分別安裝內環電機和外環電機，兩個電機的轉子共同連接在一個轉子法蘭結構上形成一個整體，內環電機和外環電機的定子齒均採用不等齒寬結構，即大齒的齒頂寬與磁極寬相等。本發明提高了電機整體效率、磁鏈密度和繞組利用係數和平均轉矩。通過內外轉子之間的相對移相，有效消除永磁同步電機的齒槽轉矩對轉臺加工精度和定位精度的影響，提高伺服系統的低速穩定性和定位精度。
文檔編號H02K1/16GK101056024SQ20071001056
公開日2007年10月17日 申請日期2007年3月13日 優先權日2007年3月13日
發明者王成元, 夏加寬, 董婷, 王貴子 申請人:瀋陽工業大學