CN104852537B - 一种天文望远镜用三维气隙哈尔巴赫永磁弧形电机及其控制方法 - Google Patents
一种天文望远镜用三维气隙哈尔巴赫永磁弧形电机及其控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种天文望远镜用三维气隙哈尔巴赫永磁弧形电机及其控制方法，包括定子部分和转子部分，所述定子部分包括四个定子单元，每个定子单元均采用弧形结构；转子为192极结构，且采用双面哈尔巴赫永磁结构，可有效抑制转矩脉动；每一块定子单元均可独立驱动转子运动；该永磁弧形电机气隙结构为三维气隙结构。绕组采用分数槽集中绕组，有效抑制谐波；本发明节省了硅钢片和铜材，能够满足天文望远镜对电机的低速、大转矩和高精度的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于天文领域新型的永磁弧形电机，可满足低速、大转矩、高精度的特性要求。属于电机及控制领域范畴。
背景技术
随着人们对宇宙探索的不断加深，对天文望远镜的要求也越来越高。天文望远镜不仅要有精密的光学系统，而且要有高精度的传动驱动系统，对所观测的目标进行准确地跟踪，以取得有关被观测目标的准确信息。因此，平滑稳定的低速高精度传动系统对天文望远镜而言非常重要。
国外已经成功将弧形永磁同步电机(Arc PMSM)应用于直接大型天文望远镜，如欧洲南方天文台的VLT望远镜、日本天文台的Subaru望远镜和西班牙的GTC望远镜。国内也进行了一些理论分析和仿真研究，取得了一些成果。专利“用于大型天文望远镜的超低速精密弧线电机(CN101174784)”介绍了大力矩交流稀土永磁同步伺服电机，实现了大口径天文望远镜直接驱动的弧线运动；专利“弧线电机(CN2132329Y)”介绍了一种圆弧形定子电机，它包括圆弧状定子和一个铜制飞轮转子，由转子轴直接驱动工作机，实现低速运转，具有结构简单、成本低等优点；专利“弧线电机驱动的数控电动螺旋压力机(CN103331926A)”介绍了一种弧形电机驱动的数控电动螺旋压力机，解决了其启动冲击大，维护困难，传动效率低，能耗高、数控精度不高的问题。常九健等学者在论文和专利中分析了一种应用在大型天文望远镜上的环形永磁同步电机的齿槽力，并通过转子与定子相对位置的几何优化的方法来减小齿槽力。此外，对定子弧形电机控制方法的研究也较多，可消除弧形电机由于边端效应造成的力矩波动，满足电机低速、高精度旋转的要求。
发明内容
发明目的：为满足天文望远镜技术发展对新结构大型超低速弧形电机的需要，本发明提供一种天文望远镜用三维气隙哈尔巴赫永磁弧形电机，该电机能够满足天文望远镜低速、大转矩、高精度的要求。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种天文望远镜用三维气隙哈尔巴赫永磁弧形电机，包括定子和转子，所述定子包括四个定子单元，每个定子单元均采用弧形结构；转子为192极结构，且采用双面哈尔巴赫永磁结构；每一块定子单元均可独立驱动转子运动；该永磁弧形电机气隙结构为三维气隙结构。
优选的：定子单元包括定子铁心和线圈，所述定子铁心采用10槽结构，而所述线圈设置于槽内；所述转子包括永磁体和转子铁心，且永磁体设置于转子铁心上。
优选的：所述定子单元沿转子周向均匀分布，通过非导磁支架固定。
优选的：所述定子铁心和转子铁心均由硅钢片叠加而成。
优选的：线圈绕组采用分数槽绕组，线圈绕组排列方式为：UVWUVWUVW。
优选的：所述电机采用直驱方式。
一种天文望远镜用三维气隙哈尔巴赫永磁弧形电机的控制方法：采用无差拍直接转矩和磁通控制的方法。
有益效果：本发明提供的一种天文望远镜用三维气隙哈尔巴赫永磁弧形电机，相比现有技术，具有以下有益效果：
1.本发明由四个定子单元和一个转子所组成，每块定子单元和转子相当于一台单元电机，整台电机可以看成是有4台单元电机构成。当其中任一(或两个或三个)定子单元出现故障时，可实现冗余控制而且并不影响整台电机正常工作，具有高可靠性。
2.每个定子单元采用了弧形结构，提高电机的空间利用率，节省了硅钢片和用铜量。
3.由定子铁心和线圈组成，每个定子采用10槽结构。
4.转子由铁心和192个永磁极组成，采用双面哈尔巴赫结构，有效的抑制了转矩脉动。
5.永磁弧形电机气隙结构为三维气隙，显著增加了气隙的面积，提高了永磁体的利用率，进而提高转矩密度。
6.绕组采用分数槽绕组排列，有效的抑制了谐波，速度达到了低速1"/s；高速10°/s，且转矩大。
7.该电机采用直驱方式，因此，可大大提高望远镜的动态响应性能。
综上所述：本发明涉及的具有三维气隙的高功率密度永磁弧形电机，满足天文望远镜对驱动电机低速、大转矩、高精度的要求。电机具有易于安装、可冗余控制、可靠性高且成本低等优点。
附图说明
图1为一种天文望远镜用三维气隙哈尔巴赫永磁弧形电机结构示意图。
图2为一种天文望远镜用三维气隙哈尔巴赫永磁弧形电机部分转子结构图。
图3为一种天文望远镜用三维气隙哈尔巴赫永磁弧形电机定子结构示意图。
其中有：1为定子铁心、2为永磁体、3为线圈、4为转子铁心；2_1为第一永磁体(S极)，2_2为第一永磁体(N极)，2_3为第二永磁体(S极)，2_4为第三永磁体(N极)，2_5为第二永磁体(N极)，2_6为第三永磁体(S极)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种天文望远镜用三维气隙哈尔巴赫永磁弧形电机，如图1所示，包括定子和转子，如图3所示，所述定子包括四个定子单元，每个定子单元均采用弧形结构；定子单元包括定子铁心和线圈，所述定子铁心采用10槽结构，而所述线圈设置于槽内；所述转子包括永磁体和转子铁心，且永磁体设置于转子铁心上。定子单元沿转子周向均匀分布，通过非导磁支架固定。线圈绕组采用分数槽绕组，线圈绕组排列方式为：UVWUVWUVW。
如图2所示，转子为192极结构，且采用双面哈尔巴赫永磁结构；且每一块定子单元均可独立驱动转子运动；该永磁弧形电机气隙结构为三维气隙结构。
所述定子铁心和转子铁心均由硅钢片叠加而成。
所述电机采用直驱方式。
一种天文望远镜用三维气隙哈尔巴赫永磁弧形电机的控制方法：采用无差拍直接转矩和磁通控制的方法。
由上述可知，本发明的一种适用于天文学领域，且可实现低速、大转矩、高精度的三维气隙哈尔巴赫永磁弧形电机。整台电机由四个定子单元和一个转子组成，定子采用弧形结构，由定子铁心和线圈组成，每个定子采用10槽结构，分段结构省却了大量的硅钢片和铜材，大大降低制作成本。四个弧形电机单元均布圆周，通过非导磁支架固定，可以实现冗余控制，四段定子结构方便加工和安装。
转子由转子铁心和192个磁极组成，电机转子采用双面哈尔巴赫结构，如图2所示，图2是部分转子结构的俯视图，第一永磁体(S极)2_1、第一永磁体(N极)2_2、第二永磁体(S极)2_3、第三永磁体(N极)2_4、第二永磁体(N极)2_5、第三永磁体(S极)2_6是永磁体在一侧的哈尔巴赫结构，具有高功率密度，因而电机体积也大为减小，转子哈尔巴赫结构，磁场具有单边性，气隙磁密分布具有良好的正弦性，易于减小转矩脉动，而且正弦气隙磁场有利于实现精密伺服控制，双面哈尔巴赫结构，可有效抑制转矩脉动。
定子和转子铁心均由硅钢片叠加而成，提供磁环路，硅钢片上不缠绕线圈。电机采用192极结构，对于此类电机来讲，极数越多，输出转矩脉动就越小，采用192极结构可大大降低转矩脉动。
每块定子单元和转子之间都相当于一台单元电机，整台电机可以看成是有4台定子单元构成。当一块定子出现故障时，可实现电机的冗余控制。四个定子铁心和绕组完全相同，转子和定子间的电磁耦合面积相同，因此可消除径向力，降低轴承的磨损。四块定子单元之间磁路相互独立，控制简单。
为了更好的提高电机的空间利用率，该永磁弧形电机采用三维气隙结构，如图3所示，从单个定子剖面图上可以看出，定子与转子之间的工作气隙包含定子内侧上面、定子内侧下面以及定子侧面，构成了三维气隙结构，可显著增加气隙的有效面积，提高永磁体的利用率和转矩，定子绕组采用分数槽绕组，绕组排列方式为：UVWUVWUVW，可有效抑制绕组谐波，定子线圈的冷却散热条件好，接近于常温，因此可以承受较大的电流强度，在重载低速下可以可靠运行。低速时速度可达到1"/s，高速时10°/s。
由于采用直驱方式，望远镜的动态响应时间明显缩短。当转子和定子直接按相对运动时，会产生周期性的端部力和齿槽力。由于定子铁心长度有限，在铁心的边端产生漏磁而产生端部力，每一块定子边端力要比齿槽力大，从而可以导致定子与转子的相互作用力发生改变。将相邻的定子单元间的距离加以调整，对端部力进行定量分析，得出最佳位置角，可有效抑制端部力产生的干扰。采用无差拍直接转矩和磁通控制(dead-beat directtorque and flux control DB-DTFC)，即在采样周期结束时，输出的磁链和转矩与给定值没有误差，通过公式精确的计算负载角增量的大小，而负载角是根据转矩和磁链计算得到，从而得到定子参考磁链矢量的相位角，再计算相应的预期定子空间电压矢量，由逆变器的输出合成该矢量，最终输出相应的控制脉冲信号。
该方法具有瞬时响应快、精度高、THD(Total harmonic distortion)小等优点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种天文望远镜用三维气隙哈尔巴赫永磁弧形电机，其特征在于：包括定子和转子，所述定子包括四个定子单元，每个定子单元均采用弧形结构，所述定子单元沿转子周向均匀分布，通过非导磁支架固定；转子为192极结构，且采用双面哈尔巴赫永磁结构；每一块定子单元均可独立驱动转子运动；该永磁弧形电机气隙结构为三维气隙结构，绕组采用分数槽集中绕组排布；线圈绕组采用分数槽绕组，线圈绕组排列方式为：UVWUVWUVW；
定子单元包括定子铁心和线圈，所述定子铁心采用10槽结构，而所述线圈设置于槽内；所述转子包括永磁体和转子铁心，且永磁体设置于转子铁心上；
四个定子铁心和绕组完全相同，转子和定子间的电磁耦合面积相同。
2.根据权利要求1所述的天文望远镜用三维气隙哈尔巴赫永磁弧形电机，其特征在于：所述定子铁心和转子铁心均由硅钢片叠加而成。
3.根据权利要求1所述的天文望远镜用三维气隙哈尔巴赫永磁弧形电机，其特征在于：所述电机采用直驱方式。
4.一种权利要求1至3任一所述的天文望远镜用三维气隙哈尔巴赫永磁弧形电机的控制方法，其特征在于：采用无差拍直接转矩和磁通控制的方法。
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