CN102130560B

CN102130560B - 低速大转矩宽调速永磁同步电动机

Info

Publication number: CN102130560B
Application number: CN2011100682168A
Authority: CN
Inventors: 徐广人
Original assignee: 徐广人
Current assignee: ZHEJIANG LANGUANG DRIVING TECHNOLOGY Co.,Ltd.
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2031-03-22
Also published as: CN102130560A

Abstract

一种低速大转矩宽调速永磁同步电动机，解决了恒功率负载传统间接驱动方式和现有直接驱动方式存在的转矩浪费，调速范围窄等问题，包括机座、组装在机座上的带有绕组的定子铁心、转子以及编码器，其技术要点是：与中空轴套连接在一起的转子的内周贴附永体，并置于定子铁心的外部，中空轴套利用左、右轴承和轴承内、外环挡圈组装在机座的轴孔内，并通过固定在机座的左、右轴承压盖压紧，进行轴向限位，利用绕组调速装置控制定子铁心的绕组的连接，完成速度段选择的有级调速和实现单一速度段内的无级变频调速。它设计合理，结构简单，具有低速大转矩、调速范围宽、效率高、体积小、成本低，节能，安装和维护方便等优点。

Description

低速大转矩宽调速永磁同步电动机

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电动机，特别是一种采用改变定子绕组连接方式进行调速的低速大转矩宽调速永磁同步电动机。它的调速范围为0.1rpm—6000rpm，在低速时额定转矩不小于300Nm。属于永磁同步电动机技术领域。

背景技术

现有机床、轧机、造纸机等恒功率负载在低速段的负载特性为恒转矩特性，在高速段的负载特性为恒功率特性，即低速时要求驱动系统能够提供平稳大转矩，高速时驱动系统能实现恒功率调速，要求的调速范围很宽。目前，恒功率负载的驱动方式有异步电动机加减速机的间接驱动方式，也有永磁同步电动机直接驱动负载的直接驱动方式。恒功率负载的工作条件比较复杂，间接驱动方式，在选配异步电动机时，不得不选用功率较大的电机。这使得异步电动机驱动负载时大部分时间工作在轻载状态，其功率因数和效率很低，加上有减速机的存在使得系统效率更低，且需要对整个减速机构定期润滑维护，同时存在整个传递机构体积大的问题。由于间接驱动方式存在上述种种弊端，直接驱动方式越来越受到人们的重视与青睐。永磁同步电动机直接驱动方式，取消了减速机，使得传动效率比间接机械方式大大提高。但是由于恒功率负载特性为在低速时所需转矩大，随着转速升高所需转矩变小，永磁同步电动机需弱磁升速以满足负载要求。而对永磁同步电动机磁场的调节，需通过调节定子电流，即用增加定子直轴去磁电流分量来维持高速运行，达到弱磁升速的目的。因永磁同步电动机的磁场主要由永磁体产生，其气隙长度一般大于同规格感应电动机的气隙长度，故导致永磁同步电动机直轴电感小，弱磁能力不足，电动机弱磁调速范围有限。因此，为了满足调速要求，现有调速永磁同步电动机在设计时，要以负载所需低速时的大转矩和高速转速分别作为永磁同步电动机的额定转矩和额定转速进行设计，因调速永磁同步电动机实际运行状态为恒转矩运行，故会造成电机在高速时转矩浪费，使得永磁同步电动机体积大，所用材料多，同时导致控制系统容量变大。

据专利文献报导，专利公开号为CN101783536A 的“内置式永磁同步电动机自动弱磁方法”，公布了在交轴方向的磁通隔离层中设置磁通短路块，借助弹簧的自动调节作用，改变极间漏磁路径，实现自动弱磁扩速的目的。但利用弹簧调节磁通短路块的方式是不可靠的，一旦弹簧出问题，磁通短路块将失效，起不到弱磁效果的。利用加大极间漏磁的方式来扩速是不合理的，这造成了永磁体的浪费。并且此种弱磁方式只能在较小范围内弱磁调速，没有从根本上解决宽调速的问题。专利公告号为CN201342490的“一种车床用永磁同步电主轴”，公开了一种永磁同步电动机为内转子结构，因功率密度小，体积大，定子绕组为普通绕组，故存在调速范围窄的缺点。同时，此永磁同步电动机与机床主轴为一体结构，永磁同步电动机不是独立的，存在永磁同步电动机维护更换困难的缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种低速大转矩宽调速永磁同步电动机，它解决了恒功率负载传统间接驱动式和现有直接驱动式存在的转矩浪费，调速范围窄等问题，它设计合理，结构简单，具有低速大转矩、调速范围宽、效率高、体积小、成本低，节能、安装和维护方便等优点。

本发明所采用的技术方案是：该低速大转矩宽调速永磁同步电动机包括机座、组装在机座上的带有绕组的定子铁心、转子以及编码器，其技术要点是：与中空轴套连接在一起的所述转子的内周贴附永磁体，且置于所述定子铁心的外部，所述中空轴套利用左、右轴承和轴承内、外环挡圈组装在所述机座的轴孔内，通过固定在所述机座的左、右轴承压盖压紧，并进行轴向限位，利用绕组调速装置控制所述定子铁心的绕组的连接，完成速度段选择的有级调速和实现单一速度段内的无级变频调速。

实现所述转子位置检测的所述编码器与所述转子同轴连接。

设置在所述转子上的通风散热用的通风孔与固定在所述机座上的左、右风机相连通。

改变所述定子铁心的绕组连接的所述绕组调速装置包括由控制单元、继电器单元、接触器单元和驱动单元，由具有逻辑管理功能的32位ARM芯片，具有速度调节、转矩调节、变频驱动控制功能的矢量运算芯片，通过人机接口和I/O接口组成所述控制单元；由光电隔离开关、三极管和继电器组成所述继电器单元；所述控制单元驱动所述继电器单元控制接触器单元，执行逻辑驱动控制指令，对所述永磁同步电动机的速度段进行选择，并使所述绕组每相串联线圈组数在N、N-1、N-2…2、1之间的变换，实现永磁同步电动机转速在n、n× N/ (N-1)、n×N/ (N-2) …n×N/2、n×N转速段间切换，完成速度段选择的有级调速，其中N为大于0的整数自然数，n为所述绕组每相串联线圈组数为N时的额定转速；所述控制单元同时驱动由整流桥、电解电容、电源板和逆变单元组成的实现所述永磁同步电动机在单一速度段内无级变频调速的所述驱动单元。

本发明具有的优点及积极效果是：由于本发明利用绕组调速装置控制定子铁心的绕组的连接，完成速度段选择的有级调速和实现单一速度段内的无级变频调速，所以避免了用加大定子直轴电流的方式弱磁升速，减小了永磁同步电动机的功率和体积，同时降低了变频器及控制系统的容量，具有低速大转矩、调速范围宽、效率高的优点。另外，它取消了齿轮减速机结构，解决了恒功率负载传统间接驱动方式和现有直接驱动方式存在的转矩浪费，调速范围窄等问题。又因转子采用与中空轴套连接在一起的内周贴附永磁体的外转子中空结构，并通过左、右轴承和轴承内、外环挡圈组装在机座的轴孔内，使转子与中空轴套构成双支撑机构，可让组装在外转子中的主轴不承受转矩，只承受径向负荷，改善主轴的受力条件，故其设计合理，结构简单，转动惯量大，机械特性硬，有利于在负载突变时，主轴转速稳定。同时，该永磁同步电动机的功率密度大，体积小，还具有节能，节省材料，降低成本，安装和维护方便等优点，因此易于推广应用。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步描述。

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是图1中绕组的一种调速装置的控制原理框图；

图4是图3中继电器单元的一种继电器（Y1）控制电路图；

图5是图3中继电器单元与接触器单元的控制原理图；

图6是图3中绕组连接原理图；

图7是图3中驱动单元电路图。

图中序号说明：1编码器、2转子、3固定螺钉、4中空轴套、5左轴承压盖、6左轴承、7永磁体、8键、9右轴承压盖、10右轴承、11定子铁心、12机座、13轴承外环挡圈、14轴承内环挡圈、15调节螺钉、16通风孔、17过滤网、18左风机、19右风机、20控制单元、21继电器单元、22接触器单元、23绕组、24驱动单元、25光电隔离开关、26三极管、27继电器、28整流桥、29电解电容、30电源板、31逆变单元。

具体实施方式

根据图1～7详细说明本发明的具体结构。本发明所设计的永磁同步电动机是适用于调速范围为0.1rpm—6000rpm、在低速时额定转矩不小于300Nm的低速大转矩宽调速永磁同步电动机。它包括机座12、组装在机座12上的带有绕组23的定子铁心11、转子2以及编码器1等部件。其中转子2采用外转子中空结构，内周贴附永磁体7的转子2与中空轴套4连接在一起，置于定子铁心11的外部，转子2与中空轴套4通过固定螺钉3连接为一体。定子铁心11通过键8与机座12连接，并由固定在机座12上的调节螺钉15将定子铁心11压紧。中空轴套4利用左、右轴承6、10和轴承内、外环挡圈14、13组装在机座12的轴孔内，使转子2与中空轴套4构成双支撑机构，通过固定在机座12的左、右轴承压盖5、9压紧，并进行轴向限位。因此，可使组装在外转子中的主轴不承受转矩，只承受径向负荷，改善主轴的受力条件。编码器1与转子2同轴连接，同步旋转，实现转子2的位置检测。设置在转子2上的通风散热用的带有过滤网17的通风孔16与固定在机座12上的左风机18和右风机19相连通，同时向电动机内鼓风，鼓入的风从带有过滤网17的通风孔16排出。由于可以充分利用设置在转子2上的设计独特的通风孔16的通风散热作用，所以有效地降低了电动机的温升，从而提高其运行性能。该低速大转矩宽调速永磁同步电动机所采用的调速方式为：利用绕组调速装置控制定子铁心11的绕组23的连接，完成速度段选择的有级调速和实现单一速度段内的无级变频调速。该交流永磁同步电动机绕组调速装置包括控制单元20、继电器单元21、接触器单元22和驱动单元24。其中控制单元20由具有逻辑管理功能的32位ARM（Advanced RISC Machines）芯片和具有速度调节、转矩调节、变频驱动控制功能的矢量运算芯片等，通过人机接口和I/O接口组成。执行逻辑驱动控制指令的继电器单元21由光电隔离开关25、三极管26和继电器27等组成。控制单元20驱动继电器单元21控制接触器单元22，对绕组23的速度段进行选择，并使绕组23每相串联线圈组数在N、N-1、N-2…2、1之间的变换，实现永磁同步电动机的转速在n、n× N/ (N-1)，n×N/ (N-2) …n×N/2、n×N转速段间切换，完成速度段选择的有级调速。控制单元20同时驱动由整流桥28、电解电容29、电源板30和逆变单元31等组成的驱动单元,以实现永磁同步电动机在单一速度段内的无级变频调速。

控制单元20在发出选择速度段指令选定单一速度段时，通过矢量运算芯片发出驱动控制指令给驱动单元24的电源板30，驱动单元24中的整流桥28把三相交流电整流成直流电，电解电容29起到直流滤波的作用，逆变单元31根据电源板30接收到的矢量运算芯片指令，把直流电逆变为交流电驱动永磁同步电动机运转，实现单一速度段内无级调速。

继电器单元21由Y1、Y2、Y3…YN等N个继电器控制电路组成，其中一个继电器（如Y1）控制电路由电阻R1、R2、R3、光电隔离开关25、三极管26和继电器27（Y1）等组成。其余继电器控制电路与Y1控制电路相同。接触器单元22由KM1、KM2、KM3…KMN等N个接触器组成。本实施例中的N为大于0的整数自然数，n为所述绕组23每相串联线圈组数为N时的额定转速。一般情况下N不大于16，N大于16的实际应用很少。

当上述绕组23每相串联线圈组数在N、N-1、N-2…2、1之间变换，每相串联线圈组数为1时，控制单元20通过I/O接口发出低电平信号给继电器单元21，继电器单元21中的光电隔离开关25导通，驱动三极管26导通，继电器27（Y1）闭合，其余继电器Y2，Y3…YN全部断开，接触器KM1闭合，其余接触器KM2，KM3…KMN全部断开，实现每相串联组数为1的绕组23连接，即三相绕组中只有绕组U1、V1和W1中有电流，其余绕组U2、U3…UN，V2、V3…VN和W2、W3…WN全部断开，此时永磁同步电动机额定运行转速为n×N。以此类推，实现每相串联组数为2、…N-2、N-1、N的绕组23连接。这样就实现了永磁同步电动机转速在n×N/2，n×N/ (N-2) ，n× N/ (N-1) …n转速段间切换，实现所选择速度段的有级调速。

Claims

1.一种低速大转矩宽调速永磁同步电动机，它包括机座、组装在机座上的带有绕组的定子铁心、转子以及编码器，其特征在于：与中空轴套连接在一起的所述转子的内周贴附永磁体，且置于所述定子铁心的外部，实现所述转子位置检测的所述编码器与所述转子同轴连接，设置在所述转子上的通风散热用的通风孔与固定在所述机座上的左、右风机相连通，所述中空轴套利用左、右轴承和轴承内、外环挡圈组装在所述机座的轴孔内，并通过固定在所述机座的左、右轴承压盖压紧，进行轴向限位，利用绕组调速装置控制所述定子铁心的绕组的连接，完成速度段选择的有级调速和实现单一速度段内的无级变频调速。

2.根据权利要求1所述的低速大转矩宽调速永磁同步电动机，其特征在于：控制所述定子铁心的绕组连接的所述绕组调速装置包括控制单元、继电器单元、接触器单元和驱动单元；并由具有逻辑管理功能的32位ARM芯片，具有速度调节、转矩调节、变频驱动控制功能的矢量运算芯片，通过人机接口和I/O接口组成所述控制单元；由光电隔离开关、三极管和继电器组成所述继电器单元；所述控制单元驱动所述继电器单元控制接触器单元，执行逻辑驱动控制指令，对永磁同步电动机的速度段进行选择，并使所述绕组每相串联线圈组数在N、N-1、N-2…2、1之间的变换，实现永磁同步电动机转速在n、n× N/ (N-1)、n×N/ (N-2) …n×N/2、n×N转速段间切换，完成速度段选择的有级调速，其中N为大于0的整数自然数，n为所述绕组每相串联线圈组数为N时的额定转速；所述控制单元同时驱动由整流桥、电解电容、电源板和逆变单元组成的实现永磁同步电动机在单一速度段内无级变频调速的所述驱动单元。