CN202475053U - 伺服压力机用双绕组永磁无刷伺服电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种伺服压力机用双绕组永磁无刷伺服电机，包括定子和转子，在定子中有主绕组和副绕组两套三相绕组，这两套绕组除每相串联匝数外其他都相同。主绕组尾端接在一起放在电机内部或引出到电机外部，主绕组的首端、副绕组的首端和尾端都引出到电机外部，通过电开关器件使电机的主副绕组串联后由逆变器供电，或只有主绕组由逆变器供电，副绕组悬空不用。应用时，作为一台永磁无刷伺服电机驱动伺服压力机，在较小逆变器容量下，压力机工作行程时主副、绕组串联运行，满足伺服压力机对其伺服电机低速大转矩的输出要求，空行程时，只有主绕组运行，满足伺服压力机对其伺服电机高速小转矩的输出要求。

Description

伺服压力机用双绕组永磁无刷伺服电机

技术领域

本实用新型涉及一种永磁无刷伺服电机，尤其是一种适合于机械伺服压力机性能要求的双绕组永磁无刷伺服电机。

背景技术

伺服压力机是在20世纪90年代国际上出现的一种与传统机械压力机完全不同概念的第三代压力机，它消除了传统机械压力机的飞轮和离合器等部件，由伺服电机直接或经过一定的机械齿轮减速驱动滑块，因此伺服压力机所需要的工作压力能量不同于传统机械压力机主要由飞轮储能提供，而全部由伺服电机提供。伺服压力机与传统机械压力机相比具有结构简单性、复合性、高效性、高精度、高柔性、低噪环保性等特点，充分体现了锻压机床的发展趋势。

伺服压力机的工作过程包括三个阶段：滑块空行程向下运动、滑块工作行程向下运动及滑块空行程向上运动，工作行程时需要伺服电机具有低速大转矩输出，空行程时需要的伺服电机输出转矩很低，但为了提高压力机加工工作效率，要求空行程时伺服电机高速旋转。因此伺服压力机用伺服电机应同时具有低速大转矩和高速低转矩的输出能力，同时这一伺服电机还应具有高功率密度、高转矩密度及高效及低振动噪声性能及低成本。感应伺服电机具有良好的弱磁扩速能力，因此同时具有低速大转矩和高速低转矩的输出性能，但功率密度和转矩密度及运行效率都较低，因此伺服压力机用伺服电机主要是永磁无刷伺服电机，该电机由于采用稀土永磁材料而具有高效、高功率密度、高转矩密度和低振动噪声性能，但是该种电机正常情况下不能同时满足低速大转矩和高速低转矩的输出要求，为了满足伺服压力机的这一驱动要求，只能通过增加逆变器容量实现，这无疑增加了整体系统的成本。可行的方法是采用双永磁无刷伺服电机驱动伺服压力机，其一为压力机工作行程用永磁无刷伺服电机，具有低速大转矩输出能力，其二是压力机空行程用永磁无刷伺服电机，具有高速低转矩输出能力，这不但增加了一台伺服驱动电机，而且还需要伺服电机切换装置和两台交流伺服驱动器，因此也增加了整体驱动系统的成本。

普通永磁无刷伺服电机由定子及转子构成，其中定子主要由定义铁心及定子绕组构成，转子由转子永磁体和转子铁心构成，转子结构型式多种多样，可以是内置式永磁体结构、表面式磁体结构或插入式磁体结构，定子铁心都类似，都是叠片圆环结构，在其内周或外周均匀分布槽，定子绕组型式多种多样，可以是三相单层绕组和三相双层绕组，但都是三相对称绕组。图1给出的是三相8极24槽表面式磁体结构永磁无刷伺服电机，定子由定子铁心1和定子绕组2构成，转子由转子永磁体3及转子铁心4构成，该电机的定子三相对称绕组分布如图2所示，采用三相单层绕组结构，图2中A、B、C符号前的正负表明槽中线圈的串联方向，半圆弧线表示绕组端部。定子三相对称绕组分别是A相、B相和C相，三相绕组的首端以A、B、C表示，尾端以X、Y、Z表示。三相对称绕组一般以星形连接，即三相绕组的尾端X、Y、Z接在一起如图3所示，绕组每相串联匝数为N，N为自然数(下同)。图4为三相交流电源通过逆变器给定子三相对称绕组供电，即三相绕组的首端接到逆变器的输出端。

在逆变器容量不变的前提下普通永磁无刷伺服电机的转矩转速特性曲线可以近似表示为如图5所示，电机的最大输出转矩为T_max，最高运行转速为n_max。在逆变器容量不变时，最高转矩T_max近似于电机绕组的每相串联匝数N成正比，即T_max∝N，最高转速n_max近似与每相串联匝数N成反比，即n_max∝1/N。因此对普通永磁无刷伺服电机来说，在逆变器容量不变时，要想满足伺服压力机对伺服电机低速大转矩的性能要求，需要增加电机的每相串联匝数N，N为自然数，电机的最高运行转速就受到限制，就不能满足伺服压力机的高速空行程运行要求。

实用新型内容

本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种伺服压力机用双绕组永磁无刷伺服电机，其在不增加逆变器容量的前提下，采用一台永磁无刷伺服电机，即能在低速时输出大转矩，又能在低转矩时高速运行，从而满足伺服压力机的驱动要求。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种伺服压力机用双绕组永磁无刷伺服电机，包括定子和转子，在定子的定子槽中设有两套三相绕组，分别为主绕组和副绕组，所述主绕组和副绕组具有相同的排列方式、相同的定子槽号位置、相同的线规、相同的节距，但所述的两套三相绕组的每相串联匝数不同，主绕组每相串联匝数为N₁，副绕组每相串联匝数为N₂，N₁、N₂均为自然数(下同)；所述两套三相绕组在定子槽中的位置不同，其中一套三相绕组放置于定子槽顶层，另一套三相绕组放置于定子槽底层。

所述主绕组的三个尾端接在一起引出到电机外部，或者放置在电机内部，但主绕组的三个首端及副绕组三个首端和三个尾端都要引到电机外部。

所述在电机外部通过开关器件使主绕组和副绕组串联后通过逆变器供电运行，或者通过开关器件使主绕组直接通过逆变器供电运行，而副绕组悬空不用。

主副绕组串联供电工作或主绕组单独供电工作通过电机外部的开关器件完成。

在应用于伺服压力机驱动时，在伺服压力机的工作行程中，电机的主副绕组串联后通过逆变器供电，在伺服压力机的空行程中，只有电机的主绕组通过逆变器供电，而将副绕组悬空不用。

在进行双绕组永磁无刷伺服电机设计时，首先根据伺服压力机工作行程时所需要的伺服电机低速大转矩性能指标，确定双绕组永磁无刷伺服电机主绕组和副绕组总的每相串联匝数N＝N₁+N₂；然后根据伺服压力机空行程时所需要的伺服电机高速低转矩性能指标，确定双绕组永磁无刷伺服电机主绕组每相相串联匝数N₁，最后得到副绕组每相串联匝数N₂＝N-N₁。(其中，确定电机所需要的定子绕组每相串联匝数N，以及确定主绕组每相串联匝数N₁均为现有技术，是本领域公知常识，在此不再赘述。)

本实用新型采用永磁无刷伺服电机的定子中放置两套绕组，分别称为主绕组和副绕组，这两套绕组按相同的绕组排列方式放置于定子铁心槽中，两绕组除每相串联匝数外，其他都完全相同，即相同的线规、相同的并联支路数、相同的节距，因此两绕组具有相同的电流容量、不同的电压容量，但在相同旋转磁场作用下电动势相位完全相同。在电机工作时，可以是主绕组单独工作而副绕组不工作，也可以主副绕组串联后同时工作。

本实用新型的工作原理是：本实用新型的三相永磁无刷伺服电机的永磁转子同普通永磁无刷电机，定子铁心也同普通永磁无刷定子铁心，但定子槽中装有两套绕组分别叫主绕组和副绕组，这两套绕组除每线圈匝数(每相串联匝数)外，其他如排列方式、嵌线位置、线规、节距、并联支路数等都相同。主、副绕组每相串联匝数分别为N₁和N₂。在电机外部引出这两套绕组，通过开关器件在外部可以使主绕组、副绕组串联一起工作，也可以只有主绕组工作，而副绕组不供电工作。当主、副绕组串联在一起并通过逆变器供电工作时，由于电机每相绕组串联匝数多(每相串联匝数为N₁+N₂)，因此电机的转矩大、但工作转速低；在相同的逆变器容量及电源容量下，如果只有主绕组工作，则由于绕组每相串联匝数变少(每相串联匝数为N₁)，因此电机的转矩降低但最高运行转速升高。因此相同的较小逆变器容量下，电机主、副绕组串联运行时可以满足伺服压力机工作行程所需要的低速大转矩电机性能要求，电机只有主绕组工作时可以满足伺服压力机空行程所需要的高速低转矩性能要求。

本实用新型的有益效果是：用一台永磁无刷伺服电机，用一台较小容量的逆变器，实现低速大转矩和高速低转矩输出，满足伺服压力机工作性能和空行程不同的转矩转速要求。

附图说明

图1为三相8极24槽永磁无刷伺服电机结构；

图2为三相8极24槽单层绕组永磁无刷伺服电机定子绕组结构；

图3为永磁无刷伺服电机定子三相对称绕组示意图；

图4为三相交流电源通过逆变器给定子三相对称绕组供电示意图；

图5为普通永磁无刷伺服电机的转矩转速特性曲线；

图6为定子中有两套绕组的三相8极24槽永磁无刷伺服电机定子绕组结构(都是单层绕组)；

图7三相交流电源通过逆变器给主副串联绕组供电示意图；

图8三相交流电源通过逆变器给定子主绕组供电示意图；

图9为永磁伺服电机定子主、副两套绕组串联供电和主绕组单独供电时电机的转矩转速曲线；

图10为本实用新型转矩转速特性曲线；

图11为本实用新型中定子两套绕组与逆变器的连接实施方案图。

图中，1为定子铁心，2为定子绕组，3为转子永磁体，4为转子铁心，

T_max和n_max分别为固定逆变器容量下永磁无刷伺服电机的最大输出转矩和最高转速；

5为主副绕组串联供电时永磁无刷伺服电机的转矩转速特性曲线；

6为只有主绕组供电时永磁无刷伺服电机的转矩转速特性曲线；

T_1max和n_1max分别为固定逆变器容量下本实用新型电机主副绕组串联供电时电机的最大输出转矩和最高转速；

T_2max和n_2max分别为固定逆变器容量下本实用新型电机只有主绕组供电时电机的最大输出转矩和最高转速；

71、72、73、81、82、83、91、92、93均为开关器件，可以是类似接触器的机械触头开关，也可以是电力电子器件非机械触头开关。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

在普通永磁无刷伺服电机的定子槽中放置两套三相对称绕组，这两套三相对称绕组，分别为主绕组和副绕组，三相对称主绕组标识为A1-X1、B1-Y1、C1-Z1，其每相串联匝数为N₁，三相对称副绕组标识为A2-X2、B2-Y2、C2-Z2，其每相串联匝数为N₂。这两套绕组唯一差别是每相串联匝数不同，其他完全相同，即具有相同的排列方式、相同的在定子槽中的相对位置、相同线规、绕组节距等。图6给出具有两套三相对称绕组的三相8极24槽单层绕组，以图6中虚圆线为边界，定子槽内、外空间分别放置三相主绕组和三相副绕组，图6中主绕组放在槽的低层，副绕组放在槽顶层，实际上，主绕组可以放在槽的顶层，而副绕组放在槽的低层。

主绕组的三个尾端X1、Y1、Z1接在一起后可以放置在电机内部，也可以引出到电机外部，主绕组的三个首端A1、B1、C1及副绕组的三个首端A2、B2、C2及副绕组的三个尾端X2、Y2、Z2都要引出到电机外部。

图7为本实用新型中定子主、副绕组串联后由三相交流电源通过逆变器供电，图8为本实用新型中只有定子主绕组由三相交流电源通过逆变器供电。在相同电源容量和逆变器容量下，可以得到图7和图8不同供电方式时电机的转矩转速特性曲线，如图9所示，其中图9中的曲线5为主、副绕组串联时电机转矩转速特性曲线，此时电机的每相串联匝数为N₁+N₂，电机的最大转矩为T_1max，最高运行转速为n_1max；图9中的曲线6为只有主绕组由逆变器供电时的转矩转速特性曲线，此时电机的每相串联匝数为N₁，其最大转矩为T_2max，最高运行转速为n_2max，由于此时的每相串联匝数为N₁，小于主副绕组串联时的电机每相串联匝数N₁+N₂，因此T_2max小于T_1max，n_2max大于n_1max。因此本实用新型的双绕组永磁无刷伺服电机，在驱动伺服压力机时，在压力机的工作行程，电机的主、副绕组串联，得到低速大转矩的输出特性；在压力机的空行程，电机只有主绕组供电工作，得到高速低转矩的输出特性。图10为两种不同的电机工作方式合在一起得到的整体电机的转矩转速特性曲线，即在转速范围0～n_1max时，主副绕组串联，此时最大转矩为T_1max，在主副绕组串联运行至转速n_1max时，将副绕组切除，只有主绕组供电工作，此时转速范围为n_1max～n_2max，最大转矩为T_2max。

在N₁+N₂一定时，T_1max和n_1max就确定，但通过调整N₁和N₂的大小，可以得到不同的T_2max和n_2max，增加N1，减小N2，则n_2max降低，T_2max升高，降低N₁，增大N₂，则n_2max升高，T_2max降低。

图11给出本实用新型两套绕组外部连接实施方案，开始时各开关7、8、9都处于开断状态。首先同时闭合开关71、72和73，接着同时闭合81、82、83，此时主要绕组和副绕组串联运行，满足伺服压力机工作行程所需要的伺服电机低速大转矩运行要求；先同时断开81、82、83，再同时断开71、72、73，然后同时闭合91、92、93，则只有主绕组供电工作，可以满足伺服压力机空行程所需要的伺服电机高速低转矩运行要求。

在进行伺服压力机用双绕组永磁无刷伺服电机设计时，首先满足伺服压力机工作行程性能要求，即根据伺服电机的低速大转矩性能要求，确定电机所需要的定子绕组每相串联匝数N，即为主副绕组每相串联总匝数N₁+N₂(＝N)；然后满足伺服压力机空行程性能要求，即根据要求的伺服电机高速低转矩性能要求，确定主绕组每相串联匝数N₁，从而得到副绕组的每相串联匝数N₂＝N-N₁。(其中，确定电机所需要的定子绕组每相串联匝数N，以及确定主绕组每相串联匝数N₁均为现有技术，是本领域公知常识，在此不再赘述。)

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种伺服压力机用双绕组永磁无刷伺服电机，包括定子和转子，其特征是，在定子的定子槽中设有两套三相绕组，分别为主绕组和副绕组，所述主绕组和副绕组具有相同的排列方式、相同的定子槽号位置、相同的线规、相同的节距，但所述的两套三相绕组的每相串联匝数不同，主绕组每相串联匝数为N₁，副绕组每相串联匝数为N₂，N₁、N₂均为自然数；所述两套三相绕组在定子槽中的位置不同，其中一套三相绕组放置于定子槽顶层，另一套三相绕组放置于定子槽底层。

2.如权利要求1所述的伺服压力机用双绕组永磁无刷伺服电机，其特征是，所述主绕组的三个尾端接在一起引出到电机外部，或者放置在电机内部，但主绕组的三个首端及副绕组三个首端和三个尾端都要引到电机外部。

3.如权利要求2所述的伺服压力机用双绕组永磁无刷伺服电机，其特征是，所述在电机外部通过开关器件使主绕组和副绕组串联后通过逆变器供电，或者通过开关器件使主绕组直接通过逆变器供电，而副绕组悬空不用。

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