CN101056024B - 基于移相技术的双转子永磁环形力矩电机 - Google Patents
基于移相技术的双转子永磁环形力矩电机 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于移相技术的双转子永磁环形力矩电机，属于电机技术领域。其结构包括转子法兰、外环电机、内环电机、定子安装冷却结构，转子法兰为双环结构，在转子法兰内外环之间空腔中心部位有定子安装及冷却结构，在定子安装冷却结构和转子法兰内外环间分别安装内环电机和外环电机，两个电机的转子共同连接在一个转子法兰结构上形成一个整体，内环电机和外环电机的定子齿均采用不等齿宽结构，即：大齿的齿顶宽与磁极宽相等。本发明提高了电机整体效率、磁链密度和绕组利用系数和平均转矩。通过内外转子之间的相对移相，有效消除永磁同步电机的齿槽转矩对转台加工精度和定位精度的影响，提高伺服系统的低速稳定性和定位精度。
Description
技术领域
本发明属于电机技术领域，特别是涉及一种基于移相技术的双转子永磁环形力矩电机。适用于数控转台的驱动。
背景技术
现有的用于高档数控机床精密转台直接驱动的环形力矩电机大多为单转子电机，即采用单个电机直接驱动转台工作，有内转子结构，也有外转子结构。这类电机驱动的转台，未来充分利用转台内部空间结构，从而使得转台转矩密度偏低。若采用两个传统方式的独立电机构成内外环安装结构来共同驱动转台，则会带来两套控制系统之间的功率匹配和同步控制等技术难题。而随着现代机床功率的不断增大，所加工的工件体积(重量)也越来越大，因此又需要转台电机具有更高的转矩密度，使转台具有高速度和高加速度，提高转台的动态响应特性。同时现代机床加工精度要求又在不断提高，要求转台驱动电机还应尽量减少转矩波动，以进一步提高机床加工精度和定位精度。而传统永磁环形力矩电机齿槽转矩波动就是影响机床加工精度和定位精度的主要原因之一。
发明内容
针对上述存在的问题，结合转台结构特点，本发明提供一种基于移相技术的双转子永磁环形力矩电机，它是基于内外转子结构采用移相技术的数控转台用永磁环形力矩电机。
本发明包括转子法兰、外转子电机、内转子电机、定子安装冷却结构，转子法兰为双环结构，在转子法兰内外环之间的空腔中心部位有定子安装冷却结构，在冷却结构和转子法兰内外环间分别安装内转子电机和外转子电机，两个电机的转子共同连接在一个转子法兰上形成一个整体，内转子电机和外转子电机的定子齿均采用不等齿宽结构，即：大齿的齿顶宽与磁极宽相等。
两电机绕组采用集中式绕组形式，采用对应移相安装方式，即两电机转子的磁极轴线重合，两电机定子各相绕组轴线在径向对应移相Δθ.，或者两电机定子各相绕组轴线重合，而两电机转子的磁极轴线在径向对应移相Δθ：
其中两个电机的极数均为NP，，两个电机的槽数均为NS。
本发明的有益效果：在总体结构上，采用了内外转子结构，有效利用了转台内部空间，增加了转台驱动转矩密度；同时在具体设计过程中，电机绕组采用集中式绕组形式，这种形式可以使绕组端部最短，从而降低了铜体积，减少了焦耳热量的损耗，提高了电机整体效率，而且这种绕组形式的电机装配工艺简单。另外，电机采用不等齿宽结构，有效的提高磁链密度和绕组利用系数，从而提高了电机的平均转矩。
本发明结合内外转子永磁环形力矩电机结构特点，采用移相技术来进一步解决齿槽转矩波动这一问题。通过内外转子之间的相对移相，可有效消除永磁同步电机的齿槽转矩对转台加工精度和定位精度的影响，降低控制器的设计和控制难度，并提高伺服系统的低速稳定性和定位精度，在现代机床回转伺服进给应用以及机器人关节驱动应用中具有重大意义。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是图1无转子法兰时的A-A剖视示意图；
图3是图2中的I部放大示意图；
图4是电机不等齿顶宽与等齿顶宽结构放大比较，其中(a)为不等齿顶宽结构，(b)为等齿顶宽结构；
图5是两电机对应移相安装方式，图中为内外转子永磁磁极轴线重合，两电机定子各相绕组轴线在径向对应移相Δθ电角度安装；
图6是内外转子电机的定子绕组磁动势向量图以及它们的合成磁动势向量图，其中(a)为外转子电机的绕组磁动势向量图，(b)为内转子电机的绕组磁动势向量图，(c)为两绕组的合成磁动势向量图；
图中1.转子法兰，2.内转子电机转子轭铁，3.内转子电机转子永磁体，4.内转子电机定子，5.冷却套，6.定子安装冷却结构，7.外转子电机定子，8.外转子电机转子永磁体，9.外转子电机转子轭铁，10.移相角度，11.冷却环，12.外转子电机定子C相绕组，13.外转子电机定子B相绕组，14.外转子电机定子A相绕组，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.内转子电机定子A相绕组，20.内转子电机定子B相绕组，21.内转子电机定子C相绕组，22.内、外转子电机定子铁芯，23.冷却液通道，α-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、图2所示，本发明包括转子法兰1、外转子电机、内转子电机和定子安装冷却结构6，两单元电机均采用96槽80极直线电机，串联安装，转子法兰1为双环结构，在转子法兰1内外环之间为定子安装冷却结构6，在定子安装冷却结构6和转子法兰1内外环间分别安装内转子电机和外转子电机，两个电机的转子共同连接在一个转子法兰上形成一个整体，定子安装冷却结构6包括冷却环11和冷却套5，在冷却环11的内侧和外侧表面上均开有螺旋形冷却液通道23，在冷却环11两侧安装有冷却套5，在冷却套5内外侧分别嵌装有内、外转子电机定子铁芯；内转子电机和外转子电机的定子齿均采用不等齿宽结构，即大齿的齿顶宽与磁极宽相等。如图4(a)所示，可以将均匀分布的导体等效为集中在所画槽口中心线上。若将套有集中绕组的齿顶宽增大到一个极距，则不等齿顶宽的等效绕组跨距y＝τ，短距系数达到1；而对于等齿宽结构，如图4(b)，等效绕组的跨距y1＜τ。所以等齿顶宽电机绕组短距系数小于不等齿顶宽电机。又由于两种电机绕组分布形式均为集中式，则两者的绕组分布系数相同，因此不等齿顶宽的电机绕组利用系数大于等齿顶宽电机。这种结构有效的提高磁链密度和绕组利用系数，从而提高了电机的平均转矩。
两电机磁路互相独立，内外转子电机的磁极轴线重合，而两电机的绕组轴线相差一定的机械角度Δθ，如图5所示：
相当于30°电角度，两个单元电机三相绕组均采用星形连接结构，内外转子电机定子齿采用不等齿结构，内外转子电机转子安装成一个整体，如附图1所示。
由附图6可得到电机两绕组的磁动势合成向量图。外转子电机绕组磁动势向量图，如附图6(a)所示；以外转子电机的A相绕组轴线为基准，将内转子电机的绕组轴线移相30°电角度，可得内转子电机绕组磁动势向量图，如附图6(b)所示。从单元电机矢量图可以看出，外转子电机和内转子电机绕组三相旋转磁场具有相同的旋转方向，将两个单元电机绕组合成矢量图归并到同一个图中，如附图6(c)所示。由于设计的单元电机极数多，并且槽数与极数较为接近，使得单元电机产生的齿槽转矩波动频率较高，所以两个单元电机的绕组轴线夹角很小，不会对绕组利用系数造成很大的影响，以A相绕组为例，基波绕组利用率为0.966，可见绕组利用率仍然很高，所以这种绕组结构在削弱齿槽转矩脉动的同时又保持了电机的较好电磁性能，符合绕组理论的基本要求。
将两个单元电机中的六个相绕组分别进行星形连接后，在串联实现三相供电方式运行。采用电流闭环正弦波脉宽调制控制方式，输入的三相电流
的表示如下：
Claims (1)
1.一种基于移相技术的双转子永磁环形力矩电机，包括转子法兰、外环电机、内环电机，定子安装冷却结构，转子法兰为双环结构，其特征在于所述定子安装冷却结构设在转子法兰内外环之间的空腔中心部位，在定子安装冷却结构和转子法兰内外环间分别安装内环电机和外环电机，两电机的转子共同连接在一个转子法兰结构上形成一个整体，磁路相互独立，两电机绕组采用集中式绕组形式，分别进行星形连接后，再串联连接，两电机的定子齿均采用不等齿宽结构，大齿的齿顶宽与磁极宽相等，并采用移相安装方式，即两电机转子的磁极轴线重合，两电机定子各相绕组轴线在径向对应移相Δθ，或者两电机定子各相绕组轴线重合，而两电机转子的磁极轴线在径向对应移相Δθ，所述径向移相角度Δθ为：
其中，两个电机的极数均为NP，，两个电机的槽数均为NS。
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