CN105449958B - 一种低振动转矩的无刷直流电动机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低振动转矩的无刷直流电动机系统；本发明低振动转矩的无刷直流电动机系统中，存在二套定子、转子系统，有二套驱动系统，二套定子、转子系统功率相同，极对数相同，绕组对称，旋转方向相同，二套驱动系统驱动电路参数对称，驱动直流电源电压相同。运行时，二套定子、转子系统产生的平均转矩叠加对负载输出，产生的振动转矩相位差180°电角度相互抑制抵消，理想状态输出换向振动转矩为零，实际换向振动转矩因电磁参数的不同，换向振动转矩不完全为零，但得到明显抑制降低。

Description

一种低振动转矩的无刷直流电动机系统

技术领域

本发明涉及一种无刷直流电动机，具体涉及一种低振动转矩的无刷直流电动机系统。

背景技术

无刷直流电动机是这几年发展起来的一种新型直流电动机。无刷直流电动机其绕组电流换向依靠电子开关完成，换向过程产生的振动转矩远比有刷直流电动机严重，而且，换向振动转矩与电机转速有关，换向振动转矩与电动机转速的关系如图1所示，这一振动转矩通过传动轴传递给负载，从而产生传动系统的机械振动与噪声。实际运行的无刷直流电动机其换向振动转矩不可避免，某无刷直流电动机的振动转矩实测波形如图2所示。

目前典型的无刷直流电动机的结构如图2所示(以三相二极为例)，根据三相六状态控制方法，其产生的振动转矩波形如图3所示。本发明提出的抑制振动转矩的方法是：在现有产生图3所示的振动转矩的基础上，再设法构建一个与图3相位相反，幅值相同的振动转矩与图3所示的振动转矩相叠加。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种低振动转矩的无刷直流电动机系统。

一种低振动转矩的无刷直流电动机系统，包括二套定子、转子系统，有二套驱动系统，二套定子、转子系统功率相同，极对数相同，绕组对称，旋转方向相同，二套驱动系统驱动电路参数对称，驱动直流电源电压相同；运行时，二套定子、转子系统产生的平均转矩叠加对负载输出，产生的振动转矩相位差180°电角度相互抑制抵消。实现该系统有三种方案。

第一种低振动转矩的无刷直流电动机系统的实现方案，以二极电机为例。包括：转轴、内定子铁心内套、内定子铁心、内定子绕组、永磁杯形转子、外定子绕组、外定子铁心、转子位置传感系统外罩、转子位置传感器感应部、转子位置传感器接受部、后端盖、机座、轴承、前端盖和转子固定联接架；

所述的外定子铁心固定于机座，外定子绕组放在外定子铁心的绕组槽内，内定子铁心位于外定子铁心内侧，与内定子铁心内套固定，并通过内定子铁心内套与后端盖相固定，内定子绕组放在内定子铁心的绕组槽内，外定子铁心的内侧与内定子铁心外侧间留有气隙，永磁杯形转子位于内、外定子的气隙间，通过转子固定联接架固定于转轴上，转轴通过轴承并通过前后端盖固定于内定子铁心内套的内侧，可相对于内外定子铁心内套作旋转运动，转子位置传感系统的感应部通过转子位置传感系统的感应部支架与转轴固定，随永磁杯形转子旋转，与其配套的转子位置传感器接受部固定在后端盖一侧；转子位置传感系统外部设有转子位置传感系统外罩；

其中内定子铁心与永磁杯形转子内侧磁钢构成一台无刷直流电动机，外定子铁心与永磁杯形转子外侧磁钢构成另一台无刷直流电动机，永磁杯形转子磁钢磁轴与转子位置传感器感应部件磁钢磁轴位置互差90°电角度，由于内定子对应相绕组与外定子对应相绕组在圆周空间互差60°电角度，两台电动机其对应的转子位置传感器各相接受部件在圆周空间与各相定子绕组的起始端相对齐，三相对称排序，两台电动机其对应的转子位置传感器接受部在圆周空间也互差60°电角度，集成在一个感应平台上，两台电动机分别采用两台控制器驱动电动机，驱动电路参数对称，驱动直流电源电压相同。

第二种低振动转矩的无刷直流电动机系统的实现方案，以二极电机为例。包括：转子位置传感器系统外罩、左轴承、转子位置传感器感应部分支架、转子位置传感器感应部分磁钢、转子位置传感器接受部分、左端盖、左电机定子铁心、左电机永磁磁钢、左电机定子绕组、左电机转子铁心、右电机定子铁心、右电机永磁磁钢、右电机定子绕组、右电机转子铁心、右轴承、转轴、右端盖和机座；

左电机定子铁心及右电机定子铁心以左右排序固定在机座的内侧，左电机定子绕组放在左定子铁心槽内，右电机定子绕组放在右定子铁心槽内，左电机转子铁心及右电机转子铁心以左右排序固定在转轴上，左电机永磁磁钢固定在左电机转子铁心上，位于左电机定子铁心的内侧并轴向对齐，右电机永磁磁钢固定在右电机转子铁心上，位于右电机定子铁心的内侧并轴向对齐，左电机定子铁心与右电机定子铁心等长，左电机永磁磁钢与右电机永磁磁钢等长、左电机转子铁心与右电机转子铁心等长，转轴通过左右轴承及左右端盖、与机座固定，转子可相对于定子旋转，转子位置传感器的感应部分支架与转轴固定，转子位置传感器感应部分磁钢固定在转子位置传感器的感应部分支架上，转子位置传感器感应部分磁钢随转子一起转动，转子位置传感器接受部分与左端盖固定，转子位置传感器系统外罩与端盖固定在一起；

左右二台电动机同轴输出，但在圆周空间互差60°电角度，即如左右转子磁钢磁极圆周空间位置对齐，则定子对应相绕组在空间上互差60°电角度，转子位置传感器的感应部分磁钢磁轴位置与转子磁钢磁轴位置在圆周空间互差90°电角度，转子位置传感器的各相接受部分与各相定子绕组的起始端相对齐，三相对称排序，左右二台电动机其对应的转子位置传感器的接受部件在圆周空间也互差60°电角度，集成在一个感应平台上，左右电机电磁参数相同，定子绕组三相对称，互差120°电角度；两台电动机分别采用两台控制器驱动电动机，驱动电路参数对称，驱动直流电源电压相同，旋转方向相同，两台电动机的平均转矩叠加对外输出，同时，产生的振动转矩相位互差180°电角度，叠加后相互抵消。

第三种低振动转矩的无刷直流电动机系统的实现方案，包括电磁参数、机械参数相同的二台直接同轴刚性相联无刷直流电动机；二台无刷直流电动机转轴直接刚性联接，两台电动机分别采用两台控制器驱动电动机，驱动电路参数对称，驱动直流电源电压相同，旋转方向相同；调节二台电动机的转子与定子在圆周空间相对位置，使系统运行时，二台电动机平均转矩叠加对外输出，而二台电动机的转子与定子产生的振动转矩互差180°电角度，叠加后相互抵消，实现输出振动转矩最小。

二台电动机的转子与定子在圆周空间相对位置调整方法为，先打开位置传感器端盖，根据转子位置传感器感应部分及接受部分与电机各相绕组及转子磁钢的相互关系，对二台电机转子在圆周空间的相对位置进行粗调，即以二台电动机定子绕组相绕组的空间位置为基准(对应相空间旋转对齐)，调节二台电动机转子的相对位置，使其互差60°电角度，然后，通过可调节角度相对位置的刚性联接器对转子的角度相对位置做微调，通过逐渐改变二台电机的转子的相对角度位置，并观测安装在转轴上的振动转矩传感器的输出信号，判断二台电动机定转子的相对位置，当空载运行时轴上输出振动转矩为最小时固定好刚性联接器即可。

发明有益效果：在本发明中，提出的三种方案，通过内外二电机(左右二电机)同方向旋转，产生的平均转矩叠加对外输出，而内外二电机(左右二电机)产生的振动转矩互差180°电角度，通过相互叠加互相抵消，从而有效抑制振动转矩，理想状态由于二电机电磁参数对称，驱动器电路参数对称则产生的振动转矩可完全抵消，而且，对应于各种转速都能相互抵消，从而克服了无刷直流电动机振动转矩问题。实际由于三相电磁参数存在不对称，因此，虽不能通过二台电机振动转矩的相互抵消完全消除振动转矩，但振动转矩可明显降低。

附图说明

图1为现有的无刷直流电动机的换向振动转矩特性；

图2为目前典型的无刷直流电动机的结构；

图3为根据三相六状态控制方法产生的振动转矩波形；

图4为有效抑制降低振动转矩的示意图；

图5为第一种低振动转矩的无刷直流电动机系统；

图6为第一种定转子与位置传感器示意图；

图7为本发明第二种低振动转矩的无刷直流电动机系统；

图8第二种低振动转矩的无刷直流电动机系统的电机定转子与位置传感器的关系图；

图9第三种的低振动转矩无刷直流电动机系统；

图10第三种结构系统电机定转子与位置传感器的关系图；

图11第三种低振动转矩无刷直流电动机系统两种电机的连接方式。

具体实施方式

如图5、图6所示，一种低振动转矩的无刷直流电动机系统，包括转轴1、内定子铁心内套2、内定子铁心3、内定子绕组4、永磁杯形转子5、外定子绕组6、外定子铁心7、转子位置传感系统外罩8、转子位置传感器感应部9、转子位置传感器接受部10、后端盖11、机座12、轴承13、前端盖14、转子固定联接架15、转子位置传感器感应部支架16；

所述的外定子铁心7固定于机座12，外定子绕组6放在外定子铁心7的绕组槽内，内定子铁心3位于外定子铁心7内侧，与内定子铁心内套2固定，并通过内定子铁心内套与后端盖11相固定，内定子绕组4放在内定子铁心3的绕组槽内，外定子铁心的内侧与内定子铁心外侧间留有气隙，永磁杯形转子5位于内、外定子的气隙间，通过转子固定联接架15固定于转轴1上，转轴通过轴承13并通过前后端盖14、11固定于内定子铁心内套2的内侧，可相对于内外定子铁心内套作旋转运动，转子位置传感系统的感应部9通过转子位置传感系统的感应部支架16与转轴1固定，随永磁杯形转子旋转，与其配套的转子位置传感器接受部10固定在后端盖11一侧；转子位置传感系统外部设有转子位置传感系统外罩8；

其中内定子铁心3与永磁杯形转子5内侧磁钢构成一台无刷直流电动机，外定子铁心与永磁杯形转子5外侧磁钢构成另一台无刷直流电动机，永磁杯形转子5磁钢磁轴与转子位置传感器感应部件磁钢磁轴互差90°电角度，由于内定子各相绕组与外定子各相绕组在圆周空间互差60°电角度，两台电动机其对应的转子位置传感器各相接受部件在圆周空间与各相定子绕组的起始端相对齐，三相对称排序，两台电动机其对应的转子位置传感器在圆周空间也互差60°电角度，集成在一个感应平台上，两台电动机分别采用两台控制器驱动电动机。如设计成内定子所构成的电机与外定子所构成的电机功率相同，定子绕组三相对称，互差120°电角度，极对数相同，驱动电路参数对称，驱动直流电源电压相同，运行时，内、外定子作用于转子产生同一方向的转矩，(如按图5逆时针方向旋转)，则目前的转子磁钢与内定子绕组的配合情况与转子转过60°电角度时转子磁钢与外定子绕组配合情况相同，因此，两台电动机的平均转矩叠加对外输出，同时，产生的振动转矩相位互差180°电角度，叠加后相互抵消，从而达到抑制振动转矩的目的，如图4所示。本发明的电动机转子位置传感系统的传感器布置图如图6所示。

如图7、图8所示，第二种低振动转矩的无刷直流电动机系统，包括左轴承17、转子位置传感器感应部分支架18、转子位置传感器感应部分磁钢19、转子位置传感器接受部分20、左端盖21、左电机定子铁心22、左电机永磁磁钢23、左电机定子绕组24、左电机转子铁心25、右电机定子铁心26、右电机永磁磁钢27、右电机定子绕组28、右电机转子铁心29、右轴承30、转轴31、右端盖32、机座33、转子位置传感器系统外罩34；

左电机定子铁心22及右电机定子铁心26以左右排序固定在机座33的内侧，左电机定子绕组24放在左定子铁心槽内，右电机定子绕组28放在右定子铁心槽内，左电机转子铁心25及右电机转子铁心29以左右排序固定在转轴31上，左电机永磁磁钢23固定在左电机转子铁心25上，位于左电机定子铁心的内侧并轴向对齐，右电机永磁磁钢27固定在右电机转子铁心29上，位于右电机定子铁心的内侧并轴向对齐，左电机定子铁心25与右电机定子铁心26等长，左电机永磁磁钢23与右电机永磁磁钢27等长、左电机转子铁心25与右电机转子铁心29等长，转子轴通过左右轴承17、30及左右端盖21、32与机座33固定，转子可相对于定子旋转，转子位置传感器的感应部分支架18与转轴固定，转子位置传感器感应部分磁钢19固定在转子位置传感器的感应部分支架18上，转子位置传感器感应部分磁钢19随转子一起转动，转子位置传感器接受部分20与左端盖21固定，转子位置传感器系统外罩34与端盖固定在一起；

左右二台电动机同轴输出，但在圆周空间互差60°电角度，即如左右转子磁钢磁极圆周空间位置对齐，则定子对应相绕组在空间上互差60°电角度，转子位置传感器的感应部分磁钢磁轴位置与转子磁钢磁轴位置在圆周空间互差90°电角度，转子位置传感器的各相接受部分与各相定子绕组的起始端相对齐，三相对称排序，左右二台电动机其对应的转子位置传感器的接受部件在圆周空间也互差60°电角度，集成在一个感应平台上，左右电机电磁参数相同，定子绕组三相对称，互差120°电角度；两台电动机分别采用两台控制器驱动电动机，驱动电路参数对称，驱动直流电源电压相同，旋转方向相同，两台电动机的平均转矩叠加对外输出，同时，产生的振动转矩相位互差180°电角度，叠加后相互抵消。

如图9、图10、图11所示，第三种低振动转矩的无刷直流电动机系统，包括电磁参数、机械参数相同的二台直接同轴同时刚性相联无刷直流电动机；二台无刷直流电动机转轴直接刚性联接，两台电动机分别采用两台控制器驱动电动机，驱动电路参数对称，驱动直流电源电压相同，旋转方向相同；调节二台电动机的转子与定子在圆周空间相对位置，使系统运行时，二台电动机平均转矩叠加对外输出，而二台电动机的转子与定子产生的振动转矩互差180°电角度，叠加后相互抵消，实现输出振动转矩最小。

二台电动机的转子与定子在圆周空间相对位置调整方法为，先打开位置传感器端盖，根据转子位置传感器感应部分及接受部分与电机各相绕组及转子磁钢的相互关系，对二台电机转子在圆周空间的相对位置进行粗调，即以二台电动机定子绕组相绕组的空间位置为基准(对应相空间旋转对齐)，调节二台电动机转子的相对位置，使其磁轴互差60°电角度，然后，通过可调节角度相对位置的刚性联接器对转子的角度相对位置做微调，通过逐渐改变二台电机的转子的相对角度位置，并观测安装在转轴上的振动转矩传感器的输出信号，判断二台电动机定转子的相对位置，当空载运行时轴上输出振动转矩为最小时固定好刚性联接器即可。

Claims (1)

1.一种低振动转矩的无刷直流电动机系统，包括二套定子、转子系统，有二套驱动系统，二套定子、转子系统功率相同，极对数相同，绕组对称，旋转方向相同，二套驱动系统驱动电路参数对称，驱动直流电源电压相同；运行时，二套定子、转子系统产生的平均转矩叠加对负载输出，产生的振动转矩相位差180°电角度相互抑制抵消；

其特征在于：包括电磁参数、机械参数相同的二台直接同轴相联无刷直流电动机；二台无刷直流电动机转轴直接刚性联接，两台电动机分别采用两台控制器驱动电动机，驱动电路参数对称，驱动直流电源电压相同，旋转方向相同；调节二台电动机的转子与定子在圆周空间相对位置，使系统运行时，二台电动机平均转矩叠加对外输出，而二台电动机的转子与定子产生的振动转矩互差180°电角度，叠加后相互抵消，实现输出振动转矩最小；

二台电动机的转子与定子在圆周空间相对位置调整方法为，先打开位置传感器端盖，根据转子位置传感器感应部分及接受部分与电机各相绕组及转子磁钢的相互关系，对二台电机转子在圆周空间的相对位置进行粗调，即以二台电动机定子绕组相绕组的空间位置为基准，调节二台电动机转子的相对位置，使其互差60°电角度，然后，通过可调节角度相对位置的刚性联接器对转子的角度相对位置做微调，通过逐渐改变二台电机的转子的相对角度位置，并观测安装在转轴上的振动转矩传感器的输出信号，判断二台电动机定转子的相对位置，当空载运行时轴上输出振动转矩为最小时固定好刚性联接器即可。