CN100578909C - 基于双同步力矩电机串联直接驱动的精密数控转台 - Google Patents

Abstract

一种基于双同步力矩电机串联直接驱动的精密数控转台，属于电机应用技术领域。包括转台底座、转台工作面、电机冷却结构、外转子永磁同步环形力矩电机及内转子永磁同步环形力矩电机，转台底座是截面为倒T型的环形结构，转台底座和转台工作面通过轴承连接，转台工作面是带有内环和外环的台面，在转台底座内环侧安装有环形电机冷却结构，在电机冷却结构的内环侧和转台工作面内环间安装有内转子永磁同步环形力矩电机，在电机冷却结构的外环侧和转台工作面外环间安装有外转子永磁同步环形力矩电机。本发明具有较好的散热效果，解决了大转矩转台的散热问题，提高了数控转台的转矩密度和电机的使用寿命；且提高了转台的转动加速度、响应速度和系统动态刚度、控制精度。

Description

基于双同步力矩电机串联直接驱动的精密数控转台

技术领域

本发明属于电机应用技术领域，特别是涉及一种基于双同步力矩电机串联直接驱动的精密数控转台。

背景技术

在机床数控转台驱动中，传统的驱动方式通常是旋转伺服电机加蜗轮蜗杆副(齿轮副)机构，由于存在机械传动链，虽有较好的静态刚度，但在完成启动、加速、减速、反转及停车等运动时，会产生弹性变形、摩擦和反向间隙等，造成机械振动、运动响应慢、动态刚度差及其它非线性误差，难以实现高精度加工。

现代高档数控机床数控转台采用永磁环形力矩电机“直接驱动”技术，实现“零传动”，是解决上述问题的重要途径之一。因为数控转台“直接驱动”消除了中间机械传动机构引起的机械传动链误差及速度、加速度等运行参数限制，能直接提供驱动转矩给执行机构，具有损耗低、电气时间常数小、响应速度快等特点。但是，采用“直接驱动”技术的同时，也会带来控制系统及控制策略复杂、静态刚度降低的现象。特别是高档大型加工机床转台，要求电机驱动转矩大、动态响应快、控制精度高、安装体积小，同时对电机的转矩和转矩密度也提出了更高的要求。所以传统的旋转伺服电机加蜗轮蜗杆副结构的转台已不能满足现代大型机床对转台大转矩，高精度的双重要求。即使是现有的力矩电机直接驱动数控转台，也要进一步简化控制策略，提高转台转矩密度。

在传统控制方式下，转台的两个电机需由两台伺服控制器分别控制，除了控制器需要两台外，由于两台电机驱动同一刚度转台，要求两台电机之间必须有合理的功率分配，并要求实现“同步控制”。要解决好这一问题，两控制器之间还必须采取通讯、互联等同步驱动复杂控制策略。

发明内容

为解决上述存在的问题，结合转台结构特点，本发明提供一种基于双同步力矩电机串联直接驱动的精密数控转台。

本发明包括转台底座、转台工作面、电机冷却结构、外转子永磁同步环形力矩电机及内转子永磁同步环形力矩电机，以下简称外转子电机和内转子电机，转台底座是截面为倒T型的环形结构，转台底座和转台工作面通过轴承连接，转台工作面是带有内环和外环的台面，在转台底座内环侧安装有环形电机冷却结构，在电机冷却结构的内环侧和转台工作面内环间安装有内转子电机，在电机冷却结构的外环侧和转台工作面外环间安装有外转子电机。

电机冷却结构包括冷却环和冷却套，在冷却环的内侧和外侧表面上均开有螺旋形冷却液通道，在冷却环两侧安装有冷却套。

为保证转台电机驱动控制的可靠性和简单性，所述的两台电机采用串联同步驱动方式，且两电机每相绕组对应的反电动势同相位叠加；即两电机的磁极数相同，绕组结构形式对应相同，绕组相序及旋转磁场的旋转方向相同，各相定子绕组轴线径向对应重合，内外转子永磁磁极轴线重合。

两电机的绕组连接方式为星形“Y”和角形“△”两种，采用星形“Y”接法时，内转子电机绕组为6个接线端子，外转子电机绕组为3个接线端子，反之亦然；采用角形“△”接法时，要求两电机绕组均为6个接线端子引线方式。

同时，两电机还必须进行配套设计，具体要求如下：

1、了保证合理的功率分配，两电机绕组采用串联方式，所以，两电机定子绕组导线线规(导线有效截面积)必须相同，以保证同样的电流密度。

2、外转子电机的定子外径为D1，内转子电机的定子内径为D2，在额定转速下，对应电机定子绕组的每相反电动势分别为E₁和E₂，则应有：

当相绕组流过电流I_φ时，则外、内转子电机电磁功率分别为P_e1和P_e2分别为：

P_e1＝3I_φE₁

P_e2＝3I_φE₂

故两电机功率分配比为

即： $\frac{P_{e1}}{D_1}=\frac{P_{e2}}{D_2}---\left(3\right)$

可见，采用上述设计，保证了两电机功率“线密度”。从而实现了两电机功率的自动均衡。

3、除满足表达式(1)外，内、外转子电机反电动势之和为

E＝E₁+E₂    (4)

还必须与转台伺服控制所要求的反电动势参数E_e相匹配，即有：

E≤E_e    (5)

只有这样才能实现电机与其控制器的参数匹配，提高数控转台驱动系统的整体特性。

本发明的有益效果：

1.利用高精度永磁力矩电机直接驱动数控转台，取消了传统转台蜗轮蜗杆副传动机构，消除了传动机构摩擦，磨损，间隙等因素对数控转台精度的影响。同时，由于采用双同步永磁力矩电机直接驱动增大了数控转台的转矩密度，提高了转台的转动加速度，响应速度和系统动态刚度。

2.采用双同步力矩电机串联驱动方式，两台电机定子绕组串联连接后由一个伺服控制器驱动，简化了控制系统，同时，由于两台电机结构对应，通入的是同一幅值和相位的电流，所以自动解决了两电机的同步控制策略问题，再根据前面所述的专门设计方法，设计合适的反电动势，满足表达式(3)和(4)，就能自动实现电机功率的合理分配。

3.本发明采用两台力矩电机驱动方式，在两台电机的定子绕组之间隔有不锈钢水冷结构，充分利用数控转台环状结构的内部空间，更有利于电机散热，因为永磁力矩电机次级永磁转子侧功率损耗很小，只有机械摩擦损耗为功率源。电机发热的主体是定子绕组电阻损耗(铜耗)和铁心损耗，用水冷结构直接对定子水冷散热，具有较好的散热效果，解决了大转矩转台的散热问题，从而进一步提高了数控转台的转矩密度和电机运行使用寿命，也减少了温升对转台精度的影响，使得所述转台具有体积小，转矩大，动态响应快，控制策略简化等优点。

4.由于采用了这种结构，两个电机磁链具有相对的独立性，而电路又具有关联(耦合)性。两个电机磁路独立，克服了因磁路相互耦合所引起的控制模型误差，提高了控制精度。而且磁路相互独立后，两电机所产生的齿槽转矩脉动(永磁电机的转矩脉动主要是齿槽转矩波动成份)相对独立。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是内、外环电机安装对应结构示意图；

图3是本发明中的两电机串联驱动方式绕组连接示意图，(a)为外环电机三相绕组示意图，(b)为内环电机绕组示意图，(c)为两电机串联绕组连接示意图；

图4是电机绕组接线方式示意图，其中(a)为外环电机绕组出线示意图，(b)为“Y”形接法示意图，(c)为内环电机绕组出线示意图，(d)为“△”形接法示意图；图中1.转台工作台面，2.内转子电机转子，3.内转子电机定子，4.电机冷却结构，5.外转子电机定子，6.外转子电机转子，7.轴承，8.转台底座，9.冷却通道，10.外转子电机转子轭铁，11.外转子电机定子C相绕组，12.外转子电机定子B相绕组，13.外转子电机定子A相绕组，14.外转子电机转子永磁体，15.外转子电机定子A相绕组轴线，16.外转子电机转子永磁体N极轴线，17.内转子电机转子永磁体N极轴线，18.内转子电机定子A相绕组轴线，19.内转子电机转子永磁体，20.内转子电机转子轭铁，21.内转子电机定子A相绕组，22.内转子电机定子B相绕组，23.内转子电机定子C相绕组，24.内、外转子电机定子铁芯，25.内环，26.外环，27.冷却环，28.冷却套，29.冷却液通道，α为A相绕组轴线与N极永磁体磁极轴线间的相位角。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：

实施例：如图1所示，本发明包括转台底座8、转台工作面1、电机冷却结构、外转子及内转子永磁同步环形力矩电机，转台底座8是截面为倒T型的环形结构，转台底座8和转台工作面1在横向和纵向分别通过轴承连接，转台工作面1是带有内环25和外环26的台面，在转台底座8内环侧安装有环形不锈钢电机冷却结构，该电机冷却结构包括冷却环27和冷却套28，在冷却环27的内侧和外侧表面上均开有螺旋形冷却液通道29，在顶端两道螺旋形冷却液通道间开有通孔，在冷却环27两侧安装有冷却套28；在电机冷却结构内环侧的冷却套28和转台工作面1的内环25间安装有内转子电机，在电机冷却结构的外环侧的冷却套28和转台工作面1的外环26间安装有外转子电机。在电机冷却结构的两冷却套28内外侧分别嵌装有内、外转子电机定子铁芯24，两电机转子分别与转台工作面1的内环25和外环26连接。

本例的内、外转子电机均为40极48槽，转台额定转矩1100Nm，最高转速85转/分，峰值转矩2300Nm，额定电流20A，峰值电流58A。轴承7采用转台通用轴承。如图2所示，两电机采用串联同步驱动方式，即两电机的磁极数相同，绕组结构形式对应相同，绕组相序及旋转磁场的旋转方向相同；且两电机每相绕组对应的反电动势同相位叠加，即各相定子绕组轴线径向对应重合，内外转子永磁磁极轴线重合。其串联绕组接线方式如图3所示。两电机绕组采用星形“Y”接法时，如图3、图4所示，内转子电机绕组为6个接线端子，外转子电机绕组为3个接线端子，反之亦然。采用角形“△”接法时，要求两电机绕组均为6个接线端子引线方式。

本例中两电机定子绕组导线线规相同，即导线有效截面积相同，以保证同样的电流密度。两电机定子绕组的每相反电动势分别为E₁和E₂，外转子电机的定子外径为D1，内转子电机的定子内径为D2，外、内转子电机电磁功率分别为P_e1和P_e2，

则应有：

$\frac{E_1}{E_2}=\frac{D_1}{D_2};$ $\frac{P_{e1}}{D_1}=\frac{P_{e2}}{D_2}$

可见，采用上述设计，保证了两电机功率“线密度”，从而实现了两电机功率的自动均衡。除满足表达式(1)外，内外转子电机反电动势之和为

E＝E₁+E₂

还必须与转台伺服控制所要求的反电动势参数E_e相匹配，即有：

E≤E_e

只有这样才能实现电机与其控制器的参数匹配，提高数控转台驱动系统的整体特性。

Claims (5)

1、一种基于双同步力矩电机串联直接驱动的精密数控转台，其特征在于包括转台底座、转台工作面、电机冷却结构、外转子永磁同步环形力矩电机及内转子永磁同步环形力矩电机，转台底座是截面为倒T型的环形结构，转台底座和转台工作面通过轴承连接，转台工作面是带有内环和外环的台面，在转台底座内环侧安装有环形电机冷却结构，在电机冷却结构的内环侧和转台工作面内环间安装有内转子永磁同步环形力矩电机，在电机冷却结构的外环侧和转台工作面外环间安装有外转子永磁同步环形力矩电机。

2、根据权利要求1所述的基于双同步力矩电机串联直接驱动的精密数控转台，其特征在于所述的两电机采用串联同步驱动方式，且两电机每相绕组对应的反电动势同相位叠加；即两电机的磁极数相同，绕组结构形式对应相同，绕组相序及旋转磁场的旋转方向相同，各相定子绕组轴线径向对应重合，内外转子永磁磁极轴线重合。

3、根据权利要求1所述的基于双同步力矩电机串联直接驱动的精密数控转台，其特征在于所述的两电机定子绕组导线线规相同，即导线有效截面积相同，两电机功率分配比为：

$\frac{P_{e1}}{D_1}=\frac{P_{e2}}{D_2}$

两电机定子绕组的每相反电动势的关系为：

$\frac{E_1}{E_2}=\frac{D_1}{D_2},$ E＝E₁+E₂，

其中：外转子电机的定子外径为D1，内转子电机的定子内径为D2；P_e1为外转子永磁同步环形力矩电机电磁功率，P_e2为内转子永磁同步环形力矩电机电磁功率，E₁为外转子永磁同步环形力矩电机定子绕组的每相反电动势，E₂为内转子永磁同步环形力矩电机定子绕组的每相反电动势，E为内、外转子永磁同步环形力矩电机反电动势之和。

4、根据权利要求1所述的基于双同步力矩电机串联直接驱动的精密数控转台，其特征在于所述的两电机的绕组连接方式为星形“Y”和角形“Δ”两种，采用星形“Y”接法时，内转子电机绕组为6个接线端子，外转子电机绕组为3个接线端子，反之亦然；采用角形“Δ”接法时，要求两电机绕组均为6个接线端子引线方式。

5、根据权利要求1所述的基于双同步力矩电机串联直接驱动的精密数控转台，其特征在于所述的电机冷却结构包括冷却环和冷却套，在冷却环的内侧和外侧表面上均开有螺旋形冷却液通道，在冷却环两侧安装有冷却套。

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