CN104269985A - 适用于机床主轴驱动的直流无刷永磁同步电机及其控制器 - Google Patents

Abstract

本发明是适用于机床主轴驱动的直流无刷永磁同步电机及其控制器，电机包括电机外壳，在电机外壳内通过轴承架设有转子轴，转子轴上设置有转子片，在转子片外部设置有定子线圈，所述的转子片上设置有永磁磁钢，永磁磁钢内置在转子片上。控制器包括输入及显示模块、微处理器模块、功率驱动模块和电源整流模块，其中输入及显示模块先将指令传送到微处理器模块上，微处理器模块再控制功率驱动模块，最后功率驱动模块用于驱动定子线圈工作；所述的电源整流模块为微处理器模块、功率驱动模块及定子线圈供电。本发明生产工艺先进，提高磁性能，降低磁性材料成本；工作性能更可靠，且成本低；具有平衡调节功能；节能高效，降低成本，提高社会经济效益。

Description

适用于机床主轴驱动的直流无刷永磁同步电机及其控制器

技术领域

本发明属于机床驱动的技术领域，指一种适用于机床主轴驱动的直流无刷永磁同步电机及其控制器。

背景技术

目前国内外市场上工业加工的低速机床，数控机床用皮带轮驱动的主轴电机，基本上以三相异步电动机为主体的交流电机驱动系统，调速则以多级变速箱的齿轮调速或矢量变频器对异步电机变频调速方式进行为主，转速受负载影响变化大，不能经济地实现范围较广的调速。在近年的数控机床上也有用编码器配套的伺服电机调速，采用编码器位置控机的矢量变频伺服电机的技术结构，结构复杂，易发故障，制造成本高。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种采用直流变频技术的无位置传感器的无刷永磁同步电机及其配套的控制器，控制转速的精度达到0.02％，实现机床控制性能大幅提升，节能高效，电机体积重量减少，降低生产和使用成本，提高社会经济效益。

本发明的目的是这样实现的：适用于机床主轴驱动的直流无刷永磁同步电机，包括电机外壳，在电机外壳内通过轴承架设有转子轴，转子轴上设置有转子片，在转子片外部设置有定子线圈，所述的转子片上设置有永磁磁钢，永磁磁钢内置在转子片上。

上述的永磁磁钢呈“一”字形或者“V”字形的结构均布在转子片上。

上述的永磁磁钢有四组、六组或八组。

上述的转子片的两侧通过铆钉连接有非磁性不锈钢夹板。

上述的夹板上开设有供永磁磁钢嵌入转子片的通槽，在夹板沿外圆边均设有若干个平衡用的螺纹孔。

上述的永磁磁钢嵌入转子片的通槽后用胶水粘固。

上述的定子线圈的结构为集中式或分布式。

控制直流无刷永磁同步电机的配套控制器，包括输入及显示模块、微处理器模块、功率驱动模块和电源整流模块，其中输入及显示模块先将指令传送到微处理器模块上，微处理器模块再控制功率驱动模块，最后功率驱动模块用于驱动定子线圈工作；所述的电源整流模块为微处理器模块、功率驱动模块及定子线圈供电。

本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：

1、本发明采用内置磁钢的新技术，生产工艺先进，提高Q轴电感，提高磁性能，提高电机加速变速性能，提高电机过载能力，降低磁性材料成本；

2、本发明采用的配套控制器控制方便又高效，适用于需要频繁控制的各类机床，比日前普遍采用的编码器矢量变频的伺服电机更胜一筹，省掉和伺服电机配套的位置传感器和编码器，工作性能更可靠，且成本也低很多；

3、本发明在转子片的两侧装有非磁性不锈钢夹板，可以加强转子整体的强度，还有调节平衡方面的作用；

4、本发明控制转速的精度达到0.02％，实现机床控制性能大幅提升，节能高效，电机体积重量减少，降低生产和使用成本，提高社会经济效益。

附图说明

图1是本发明电机外壳的结构示意图；

图2是本发明内置“一”字形磁钢的集中式绕组定转子示意图；

图3是本发明内置“一”字形磁钢的分布式绕组定转子示意图；

图4是本发明内置“V”字形磁钢的集中式绕组定转子示意图；

图5是本发明内置“V”字形磁钢的分布式绕组定转子示意图；

图6是本发明内置“一”字形磁钢的夹板示意图；

图7是本发明内置“V”字形磁钢的夹板示意图；

图8是本发明控制器的原理框图。

图中图号含义：

100-电机外壳；200-转子片；300-定子线圈；400-永磁磁钢；500-夹板；600-铆钉孔；700-通槽；800-控制器；900-螺纹孔。

具体实施方式

下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步描述：

参考图1-图7所示，适用于机床主轴驱动的直流无刷永磁同步电机，包括电机外壳100，在电机外壳100内通过轴承架设有转子轴，转子轴上设置有转子片200，在转子片200外部设置有定子线圈300，所述的转子片200上设置有永磁磁钢400，永磁磁钢400内置在转子片200上。

上述的永磁磁钢400呈“一”字形或者“V”字形的结构均布在转子片200上。

上述的永磁磁钢400有四组、六组或八组。

上述的转子片200的两侧通过铆钉连接有非磁性不锈钢夹板500(在夹板500的中部开设有若干个铆钉孔600)。

上述的夹板500上开设有供永磁磁钢400嵌入转子片200的通槽700，在夹板500沿外圆边均设有若干个平衡用的螺纹孔900(螺纹孔900按实际需要决定分布位置和数量)。

上述的永磁磁钢400嵌入转子片200的通槽700后用胶水粘固。

上述的定子线圈300的结构为集中式或分布式(优选为集中式)。

参考图8所示，控制直流无刷永磁同步电机的配套控制器，包括输入及显示模块、微处理器模块、功率驱动模块和电源整流模块，其中输入及显示模块先将指令传送到微处理器模块上，微处理器模块再控制功率驱动模块，最后功率驱动模块用于驱动定子线圈300工作；所述的电源整流模块为微处理器模块、功率驱动模块及定子线圈300供电。

上述的微处理器模块为DSP数字信号处理器。

上述的定子线圈300由控制器800控制其工作。

本发明无霍尔等位置传感器，转子惯量小，扭矩大，和直流变频技术的控制器配套使用后，方便实现机床动作快速响应，恒转矩，恒功率，1秒钟正转反转停止等各项机床控制优良性能。直流无刷永磁同步电机属于控制电机，它控制方便又高效，适用于需要频繁控制的各类机床，比日前普遍采用的编码器矢量变频的伺服电机更胜一筹，省掉和伺服电机配套的位置传感器和编码器，工作性能更可靠，且成本也低很多。

本发明是机床主轴电机控制驱动技术的一大突破。

机床驱动的发展已有三步：1，三相异步电机加多级齿轮箱调速是机床最古老的方案；2，三相异步电机加矢量变频控制器控制调速；3，有位置传感器和编码器，加矢量控制器的永磁交流伺服电机调速。现阶段，第1步基本上已淘汰，第2步和第3步方案都还在应用。第2步方案具有恒力矩性能差，响应速度慢，效率低等缺陷。第3步方案是日前的主流方案，它采用位置传感器和编码器定位工作，这个技术应用多年，传感器和编码器易发故障，和本发明相比显得落后。而一般车床主轴电机要求有恒转矩，恒功率，速度能快速无级调速，快速正转反转，这些都是无刷永磁同步电机的强项，由于控制技术的更新进步，实现无位置传感器无编码器，又能快速精准调速，大大减少了故障机率，又降低了制造成本，和第3步方案的同步电机功能基本相同，但结构上原理上也更为先进了。绕组线圈采用性能更优越的集中绕组，它比起交流伺服的分布式绕组铜线更短，散热更好，用铜量更少，损耗更低，因而效率更高。还有采用内置磁钢的新技术，生产工艺先进，提高磁性能，提高了电机变速性能，还提高了功率，降低磁性材料成本。

普通变频器只能控制异步电机，给异步电机变频调速开停等。直流无刷同步电机的控制器和普通的变频器的控制原理存在区别，它是采用最新的直流变频控制技术，控制器主要由以下四单元组成：输入及显示模块、微处理器模块、功率驱动模块和电源整流模块。电源整流模块是由桥式整流，电源滤波处理和保护电路等组成，输入及显示模块是输入控制信号到微处理器模块，检测到的电路工作状况也不断的反馈给微处理器模块，微处理器模块再结合驱动程序，以及位置检测及运算，负载运行状况的比对计算，微处理器模块综合运算分析后，经功率驱动模块输出给电机。

直流变频技术的控制理论和矢量变频器的控制理论方法存在区别，它控制理论采用反馈线性化控制、滑模变结构控制、自适应控制等理论，以及模糊控制和神经元网络等控制方法，功率范围大，可以以恒转矩，恒功率等各种方式工作，启动和停止都能快速响应，达到1秒，控制转速的精度达到0.02％，这样就比矢量变频控制的异步主轴电机和矢量变频控制的伺服电机的性能都要优越。

因此直流无刷高速同步电机的效率比普通单相的异步电机提高效率近20％，比三相异步电机提高效率7—12％。三相异步电机如加矢量变频器控制后效率会更低，因此永磁同步电机的高效就更显著。

分布式绕组和集中式绕组的线圈都接成Y形接法，电源经直流变频技术的泵控制器驱动，在定子线圈产生旋转的磁场，驱动转子的磁钢旋转，在旋转过程中又不断对电路线圈的反电动势的大小和方向检测来确定转子位置，经数字处理器的程序运算不断调整驱动线圈的脉冲电流的频率、电流方向及大小，使转子按程序旋转，磁钢转子的旋转始终和线圈电枢的磁场一样旋转，在外力少于旋转力时都保持一样的转速，形成同步电机。而且这种同步电机的速度是通过控制器设定的可控的。

无刷永磁电机的工作转速考虑工作方式是风冷，速度在机床工作的1-3000转/分和一般的异步电机及伺服电机的转速一样，或按需求可以更高。

通过机床主程序指令输到控制器的相应输入端，一般速度由DC10V的模拟量控制，正转、反转和停止的输入指令端也由机床主程序输来的指令控制，这样机床就能根据机床的控制程序进行工作。与现有三相异步电动机为主体的交流电机驱动系统，调速则以多级变速箱的齿轮调速相比或矢量变频器对异步电机变频调速方式相比，控制方法具有稳定性好、快速性好、精度高的特点外，具有一系列优点，也比采用有位置传感器编码器的同步无刷电机更为可靠，更为先进。

无刷永磁同步电机的控制器包括有输入及显示模块、微处理器模块、功率驱动模块和电源整流模块等，其中电源整流模块是将市电经整流滤波成直流，为变频器提供电源。微处理器模块接受机床指令信号，并对电机的工况高速实时检测，经及对各输入信号进行分析、比较和处理，以输出各种控制信号。功率驱动模块受控于微处理器，用于驱动直流无刷永磁同步电机工作。

直流无刷永磁高速同步电机集中式的定子线圈的结构与普通的三相异步电机存在区别，电机的转子片外缘表面上表贴永磁磁钢或在转子片内嵌永磁磁钢，由于永磁同步电机相对较小，特在转子中间设立键槽，防止同步电机由于高功率密度造成转子体与轴旋转，转子用于与转轴套接。值得注意的是，本发明永磁磁钢采用永磁铁氧体，也可替换成钕铁硼磁钢。定子槽数为3的倍数，为了磁钢的制作和使用方便，磁极数常取4、6、8极，线包按正弦波分布，集中式绕制线圈，定子用的材料上用冷扎矽钢片，线圈按高速设计。在变频器的微处理器模块的输入端子接入机床主程序指令，实现快速变速，正转反转，刹车及快速起动等机床使用时的各项功能。

电机的工作状态等由微处理器模块控制功率驱动模块，功率驱动模块推动电机，同时将电机的时间、相位、电压、电流等信号反馈至微处理器模块进行处理，再控制功率驱动模块工作。

电机的驱动软件形式无论是开环、闭环、自适应、模糊控制等等技术只是驱动形式的不同，都是离不开本产品的结构，都是本产品权利范围。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.适用于机床主轴驱动的直流无刷永磁同步电机，包括电机外壳，在电机外壳内通过轴承架设有转子轴，转子轴上设置有转子片，在转子片外部设置有定子线圈，其特征在于：所述的转子片上设置有永磁磁钢，永磁磁钢内置在转子片上。

2.根据权利要求1所述的直流无刷永磁同步电机，其特征在于：所述的永磁磁钢呈“一”字形或者“V”字形的结构均布在转子片上。

3.根据权利要求2所述的直流无刷永磁同步电机，其特征在于：所述的永磁磁钢有四组、六组或八组。

4.根据权利要求1所述的直流无刷永磁同步电机，其特征在于：所述的转子片的两侧通过铆钉连接有非磁性不锈钢夹板。

5.根据权利要求1所述的直流无刷永磁同步电机，其特征在于：所述的夹板上开设有供永磁磁钢嵌入转子片的通槽，在夹板沿外圆边均设有若干个平衡用的螺纹孔。

6.根据权利要求1所述的直流无刷永磁同步电机，其特征在于：所述的永磁磁钢嵌入转子片的通孔后用胶水粘固。

7.根据权利要求1所述的直流无刷永磁同步电机，其特征在于：所述的定子线圈的结构为集中式或分布式。

8.控制直流无刷永磁同步电机的配套控制器，其特征在于：包括输入及显示模块、微处理器模块、功率驱动模块和电源整流模块，其中输入及显示模块先将指令传送到微处理器模块上，微处理器模块再控制功率驱动模块，最后功率驱动模块用于驱动定子线圈工作；所述的电源整流模块为微处理器模块、功率驱动模块及定子线圈供电。