CN102064647A - 一种用于光电跟踪设备多定子弧线电机 - Google Patents

一种用于光电跟踪设备多定子弧线电机 Download PDF

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Abstract

用于光电跟踪设备多定子弧线电机，是一种交流永磁同步弧形直线电机，由弧形矽钢片，线圈绕组，永磁铁，背铁，定子外壳构成。四个定子结构形式完全一样，由弧形矽钢片、绕组和定子外壳构成。转子由永磁体和背铁构成，背铁的外表面贴有64极(32对)永磁铁。动子与定子最小气隙为1.2mm，整个装置的有效厚度为50mm。整个电机采用分数槽结构设计，永磁铁的形状、每块定子的长度、以及齿槽的形状经过有限元优化设计，可以将由边端效应和齿槽效应造成的力矩波动大大减小，每块定子11极10槽，绕组按AaaAAaBbbBBbCccCCc的方式缠绕，可以保证三相绕组空间相位相差120°。四块定子采用错位排列方式安装，可以很好地减小力矩波动和径向吸引力。

Description

一种用于光电跟踪设备多定子弧线电机
技术领域
本发明属于电动机设计领域，涉及一种用于光电跟踪设备多定子弧线电机。
背景技术
传统的光电跟踪设备采用的传动方式主要包括：蜗轮蜗杆传动、齿轮传动、摩擦传动和力矩电机同轴安装传动。这些传统的传动方式在光电跟踪设备的发展的过程中都起到了举足轻重的作用，但是这些传动方式仍然存在着诸多的缺点，尤其是随着科学技术的不断进步，研制新一代大型光电跟踪设备时这些传动方式已不能胜任。采用涡轮蜗杆传动方式时，涡轮的尺寸难以做得很大，而且大尺寸涡轮精度难以得到保证，对于大型光电跟踪设备而言传动质量一般都很大，常常使涡轮部分的惯量与其啮合的蜗杆部分惯量难以匹配。在光电跟踪设备被制动时，蜗杆副的不可逆转特性会产生很大的冲击，若采取在蜗杆轴上加质量的办法来匹配惯量消除冲击，不仅需要增加许多质量，而且会使光电跟踪设备伺服系统的机电时间常数增大，延长了起、制动时间，也降低了伺服跟踪性能。蜗轮蜗杆传动已经不适应对于控制要求越来越高的现代大型光电跟踪设备；摩擦传动虽然克服了涡轮蜗杆传动的致命弱点，但传动刚度差、低速爬行和滑移则是自身的致命弱点，低速爬行会影响运动稳定性和传动精度，而滑移则会引起观测目标的像在视场中抖动，严重时像会漂移出视场；齿轮传动与涡轮蜗杆传动类似，都属于啮合传动，同样存在反向间隙、高频齿形误差、较高齿面接触应力等问题；采用力矩电机同轴安装传动时，由于传统的大力矩低转速旋转电机极数多、直径大、电刷多，产生的摩擦力矩和惯量大，使控制系统成为严重的非线性，不易实现高精度跟踪。同时随着电机尺寸的增大，会给电机的加工、运输带来诸多不便，使电机的制造成本增加。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于光电跟踪设备多定子弧线电机，该电机可以有效减小电机由齿槽力、边端力、径向吸引力造成的力矩波动，以实现大型光电跟踪设备的平稳、高精度运行，满足光电跟踪设备对大型低力矩波动弧形电机的需要。
本发明的技术解决方案：一种用于光电跟踪设备多定子弧线电机，所述的用于光电跟踪设备多定子弧线电机是一种由四块相同弧形定子组成的大力矩、低波动交流永磁同步电机，该装置由四块相同定子和一个转子装配而成，其中转子上贴有永磁铁，定子上绕有线圈绕组，该电机由定子铁心即弧形矽钢片，线圈绕组，永磁体，背铁，定子外壳构成。四个定子结构形式完全一样，由铁心、绕组和定子外壳构成，铁心和线圈通过环氧浇注的方式固定在定子外壳里，整块定子用螺钉通过定子外壳上的两个U型槽固定在光电跟踪设备的固定台面上；转子由永磁体和背铁构成，永磁体贴在背铁的外表面，转子整体用螺钉通过背铁上4个φ11的通孔固定在光电跟踪设备的转动部分上；转子与定子最小气隙为1.2mm，整个电机的有效厚度为50mm；所述四块定子采用错位排列方式安装，两两对称分布，可以抵消定子与转子之间的径向吸引力，消除电机由于径向力产生的高频振动和噪音。所述的电机转子外贴64极(32对)永磁体，永磁铁的形状采用有限元法优化设计，使气隙中磁场成正弦规律分布，可以最大限度地减小电机产生的力矩波动；
所述的电机转子外半径198.8mm，内半径178mm，背铁采用导磁性良好的45号钢，永磁体最高高度为6mm，永磁体材料型号为XG196/96，该种永磁体剩磁达到0.96T，矫顽力达到690KA/m；
所述的电机由4块完全相同的定子块组成，每块定子由100块厚度为0.5mm的矽钢片压制而成，定子外半径240mm，内半径200mm，中心角为54°，外弧长为226.2mm，定子矽钢片材料型号是M19_24G，每块定子的长度经过有限元优化设计，可以最大限度地减小边端力矩造成的力矩波动；
所述的电机每块定子11极10槽，绕组采用跨相邻槽的方式缠绕，从右至左，线圈绕组分别按AaaAAaBbbBBbCccCCc的方式缠绕，其中A表示A相线圈绕进，a表示A相线圈绕出，B、C相线圈同理；
所述的电机绕组采用线径为0.5mm的漆包线，线圈采用双股并绕的方式，每个线圈60匝；
所述的电机每块定子采用分数槽结构设计，每极每相槽数q＝3/8，线圈节距中心角为5°(160°电角度)，线圈绕组在空间相位相差120°电角度，定子槽开口大小采用有限元优化设计，可以最大限度地减小齿槽转矩；
所述的定子块1-1和1-2，1-3和1-4之间相差87.1875°，可以最大限度地减小齿槽转矩和边端转矩，减小由此产生的力矩波动；
所述的电机弧形矽钢片和线圈封装在定子外壳里，整个定子通过定子外壳上的U型槽进行定位和位置调整，转子通过背铁上的4个φ11的通孔进行定位；
所述的电机在额定电压和转速下单块定子出力30N·m，经过电机的结构优化，力矩波动系数为5％。在出力相同的情况下与未经过优化的电机相比，力矩波动系数是原来的1/3左右；
所述的电机在额定电压和转速下四块定子共同出力120N·m，经过对定子位置的错位排列，力矩波动系数为3％，在相同的条件下比常规排列方式力矩波动系数降低2个百分点。
上述的一种用于光电跟踪设备多弧线电机传动装置主要是为大型光电跟踪设备的实验样机设计的，尺寸是按照比例进行缩放的，为了节约成本，定子块也只设计加工为4块，永磁铁的个数设计加工为64极。但是按照本发明的设计思想，完全可以制造出直径为8～10米的弧形电机，为了得到更大的力矩，永磁体的个数和定子块的个数可以任意增加。
更具体地说就是，设计制造更大尺寸的弧形电机，就是可以将永磁体的极数取得更多，这样每块永磁体的对应的中心角就会变得更小，只要保证每块定子节距对应160°电角度，那么每块定子对应的中心角就会减小，这样就可以排放下更多的定子块，并且电机总体出力和定子的个数成正比例，这样就可以使电机整体出更多的力矩。由于电机出力和电机的有效厚度成正比关系，还可以采取加大电机有效厚度的方法来保证出更大的力矩。
本发明还有以下优化方案：
(1)电机的定子长度经过有限元分析优化。由于边端力的大小和定子的长度相关，因此，通过优化定子的长度可以大大地减小边端力，从而可以大幅地降低电机的力矩波动。本发明通过有限元分析最终将每块定子中心角设计成54°，与未经过长度优化的定子块相比，边端力降低了78.2％。
(2)电机定子的齿槽形状经过有限元优化设计，由于电机的齿槽力大小和齿槽的形状相关，因此通过优化定子齿槽的形状可以大大地减小齿槽力，从而可以有效地减低电机的力矩波动。本发明通过有限元分析最终确定每块定子的齿槽参数如图3和表1所示。
(3)电机的永磁体形状经过有限元优化设计，可以保证空气气隙的磁场成正弦规律分布。永磁体的形状如图4所示。
(4)电机的四块定子的位置经过优化设计，可以很好地保证每两块定子产生的力矩波动相互抵消。同时还可以很好地保证每两块定子产生的径向力相互抵消，从而使动子受到的径向力几乎为0，消除了由此产生的高频振动和噪声。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用多弧线电机的方式来驱动光电跟踪设备，与传统的驱动方式相比，省去了大量的齿轮、丝杠、摩擦轮等中间传动环节，大大地提高了系统的传动精度和传动效率；系统中没有相互接触的摩擦副，不存在摩擦现象和各种摩擦引起的爬行问题，同时该种传动方式将驱动力均匀地分布在整个传动机构上，大大减小了传动系统局部变形，提高了传动系统的刚度。随着科技的发展，光电跟踪设备的尺寸越来越大，需要的力矩电机的尺寸越来越大。与同轴安装力矩电机相比，本发明可以将电机的定子分成多块，大大地减小了加工和运输难度，可以满足光电跟踪设备的发展对新型传动方式的需要，实现大型光电跟踪设备的平稳、高精度运行。
附图说明
图1为本发明实例整体结构图；
图2为本发明实例定子外壳结构图；
图3为本发明实例定子内部结构图；
图4为本发明实例永磁体结构图；
图5为本发明实例定子齿槽结构图；
图6本发明实例定子绕组排布图；
图7为本发明实例单块定子输出额定力矩图；
图8为本发明实例四块定子错位排列输出额定力矩图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明电机主要由四个定子块1-1，1-2，1-3，1-4，线圈绕组2，永磁体3，背铁4，定子外壳5构成。四个定子块结构形式完全一样，由铁心，即弧形矽钢片1-1，1-2，1-3，1-4、线圈绕组2和定子外壳5构成。参照图3和图6所示，铁心上绕有线圈，铁心和线圈一起通过环氧浇注的方式固定在定子外壳5内；转子由永磁体3和背铁4构成，永磁体3贴在背铁4的外表面，转子与定子最小气隙为1.2mm，整个装置的有效厚度为50mm；
如图1所示，转子外半径198.8mm，内半径178mm，背铁4采用导磁性良好的45号钢。参照图4所示，永磁体3的最高高度为6mm，永磁体3的材料型号为XG196/96，该种永磁体剩磁达到0.96T，矫顽力达到690KA/m；
如图1和图4所示，转子外贴64极(32对)永磁体，永磁体3的形状采用有限元法优化设计，使气隙中磁场成正弦规律分布，可以最大限度地减小电机产生的力矩波动；
如图3所示，定子外半径240mm，内半径200mm，中心角为54°，外弧长为226.2mm，每块定子由100块厚度为0.5mm的矽钢片压制而成，定子矽钢片材料型号是M19_24G，每块定子的长度经过有限元优化设计，可以最大限度地减小边端力矩造成的力矩波动；
如图3和图6所示，每块定子11极10槽，绕组采用跨相邻槽的方式缠绕，从右至左，三相绕组分别按AaaAAaBbbBBbCccCCc的方式缠绕，其中A表示A相线圈绕进，a表示A相线圈绕出，B、C相线圈同理；绕组采用线径为0.5mm的漆包线，线圈采用双股并绕的方式，每个线圈60匝；
每块定子采用分数槽结构设计，每极每相槽数q＝3/8，线圈节距中心角为5°(160°电角度)，三相线圈在空间相位相差120°电角度。参照图5和表1所示，定子槽开口大小采用有限元最优化设计，可以最大限度地减小齿槽转矩；
如图1所示，定子块1-1和1-3，1-2和1-4成180°对称分布，可以抵消定子与转子之间的径向吸引力，消除电机由于径向力产生的高频振动和噪音。定子块1-1和1-2，1-3和1-4之间相差87.1875°，可以最大限度地减小齿槽转矩和边端转矩，减小由此产生的力矩波动；
如图1和图2所示，弧形矽钢片和线圈封装在定子外壳里，整个定子通过定子外壳上的两个U型槽5-1和5-2进行定位和位置调整，转子通过背铁4上的4个φ11的通孔4-1进行定位；
定子块1-1和1-3，1-2和1-4采用两两并联的方式，定子块1-1和1-3，1-2和1-4分别采用电路A和电路B进行控制。其中电路A和电路B输出电压是具有相同峰值，相同频率的正弦波电压，唯一不同的是电路A的初始相位比电路B的初始相位晚π/2；
如图7所示，在额定电压和转速下单块定子出力30N·m，经过电机的结构优化，力矩波动系数为5％。在出力相同的情况下与未经过优化的电机相比，力矩波动系数是原来的1/3左右；
如图8所示，在额定电压和转速下四块定子共同出力120N·m，经过对定子位置的错位排列，力矩波动系数为3％，在相同的条件下比常规方法排列的力矩波动系数降低2个百分点。
样机的主要技术指标为：
主电源电压：20V；峰值堵转力矩：160N·m；峰值堵转电流：≤10A；转矩波动系数≤3％；最大空载转速45r/min；连续堵转电流≤3A。
定子矽钢片的槽型数据如表1所示，相对应的参数如图5所示。
表1槽型数据(单位mm)
  h0   0.5   b0   0.6
  b1   6
  h2   18   b2   7.8
本发明峰值堵转力矩：160N·m；峰值堵转电流：≤10A；转矩波动系数≤3％；最大空载转速45r/min；连续堵转电流≤3A，可以保证光电跟踪设备的平稳、高精度运行。

Claims (9)

1.一种用于光电跟踪设备多定子弧线电机，其特征在于：所述电机由四块结构相同的定子和一个转子装配而成；定子由铁心即弧形矽钢片、线圈绕组和定子外壳构成，铁心上绕有线圈绕组，铁心和线圈通过环氧浇注的方式固定在定子外壳里，整块定子通过定子外壳上的两个U型槽固定在光电跟踪设备的固定台面上；转子由永磁体和背铁构成，永磁体贴在背铁的外表面，转子整体通过背铁上4个通孔固定在光电跟踪设备的转动部分上；定子与转子最小气隙为1.2mm；所述四块定子采用错位排列方式安装，两两对称分布，可以抵消定子与转子之间的径向吸引力，消除电机由于径向力产生的高频振动和噪音。
2.根据权利要求1所述的一种用于光电跟踪设备多定子弧线电机，其特征在于：所述永磁体为64极，即32对。
3.根据权利要求1所述的一种用于光电跟踪设备多定子弧线电机，其特征在于：所述转子外半径198.8mm，内半径178mm，背铁采用导磁性良好的45号钢，永磁体最高高度为6mm，该种永磁体剩磁达到0.96T，矫顽力达到690KA/m。
4.根据权利要求1所述的一种用于光电跟踪设备多定子弧线电机，其特征在于：所述每块定子由100块厚度为0.5mm的矽钢片压制而成，定子外半径240mm，内半径200mm，中心角为54°，外弧长为226.2mm。
5.根据权利要求1所述的一种用于光电跟踪设备多定子弧线电机，其特征在于：所述线圈绕组采用跨相邻槽的方式缠绕，从右至左，线圈绕组分别按AaaAAaBbbBBbCccCCc的方式缠绕，其中A表示A相线圈绕进，a表示A相线圈绕出，B、C相线圈同理。
6.根据权利要求5所述的一种用于光电跟踪设备多定子弧线电机，其特征在于：所述线圈绕组采用线径为0.5mm的漆包线，线圈采用双股并绕的方式，每个线圈60匝。
7.根据权利要求1所述的一种用于光电跟踪设备多定子弧线电机，其特征在于：所述每块定子采用分数槽结构设计，每块定子11极10槽，每极每相槽数q＝3/8，线圈节距中心角为5°，即160°电角度，线圈绕组在空间相位相差120°电角度。
8.根据权利要求1所述的一种用于光电跟踪设备多定子弧线电机，其特征在于：所述四个定子块之间相差87.1875°。
9.根据权利要求1所述的一种用于光电跟踪设备多定子弧线电机，其特征在于：所述永磁体和线圈绕组封装在定子外壳里，整个定子通过定子外壳上的U型槽进行定位和调整位置。
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