TW201433714A

TW201433714A - 一種磁流變動力控制電機及控制方法

Info

Publication number: TW201433714A
Application number: TW103111604A
Authority: TW
Inventors: Xi-He Shen
Original assignee: Xi-He Shen
Priority date: 2013-04-24
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2014-09-01
Also published as: CN103280943B; CN103280943A; TWI539094B

Abstract

本發明涉及一種磁流變動力控制電機及控制方法，其特徵在於驅動軸一端連接磁流變離合器，第一離合軸承固定在離合殼蓋上，第二離合軸承固定在離合殼體上，驅動前軸承一端插入離合殼體內，輸出軸一端穿過第一離合軸承，另一端穿入第二離合軸承，離合片固定在輸出軸上，離合片前、後部分別設有前離合線圈和後離合線圈，離合殼蓋與離合殼體構成離合器外殼，離合器外殼內的內部空腔設有磁流變液；並通過轉矩控制、速度控制、位置控制方法。本發明將磁流變離合器與傳統電機進行功能組合，採用伺服電路與負載電路隔離的技術方案，既簡化了電子伺服控制系統，操作簡便，又節約了電氣控制系統元件，直接降低成本。

Description

一種磁流變動力控制電機及控制方法

本發明涉及一種磁流變動力控制電機，能廣泛應用於電力拖動、電力行走、動力傳送和對各種動力裝備或設施進行自動化控制所需的使用領域。

現有的電動機產品按控制技術等級基本分為兩大類，一類是傳統的交流電機、直流電機、各種變速電機，該類產品的歷史悠久和種類繁多，基本採用傳統低壓電器為核心器件的電氣控制手段；另一類是技術較為先進的步進電機和伺服電機，主要應用在有高精密要求的技術領域，如儀器儀錶、數控機床、CNC設備等使用場合，該類產品基本採用以積體電路和電子元件為核心器件的程式控制技術。

前一類電機產品工藝成熱，用途廣泛，需求浩大，但該類電機只具有將電能轉化為機械能和簡單的力矩輸出功能，在實際使用的環境裏，要解決諸如電源輸入、超載保護、負載啟動、速度控制、時間控制、多機聯動、離合制動等各種各樣的技術問題，還需要通過電氣電路設計，為電機配備相應的低壓電氣元件或動力控制設備，來完成實際使用環境中所需的技術要求。傳統電機最大的弱點是很難擴展或提升產品本身的技術性能，在運行精度、時序位置、多機聯動上所採用的電氣控制技術相對落後，比較適合簡單的操作程式，很難完成複雜多變的技術動作。

後一類電機是近年來市場發展較快的產品，隨著工業技術的發展，現代高端產品及零部件的精度要求愈來愈高，該類電機由於採用先進的電子控制技術和程式通信技術，極大提高了電機的精度和使用性能，具有傳統電機無法比較的技術優勢。但該類電機也存在一些缺點和局限，如：直流步進電機是恒功率的，一般情況下速度越高扭矩越小，難以達到到較高的轉速和獲得較大的轉矩，一般轉速超過600RPM，電機的轉矩就陡勢下降了；步進電機開環控制不對速度進行測定，步解析度較低，控制精度相對較差；步進電機輸出功率較小，超過負載時會破壞定子磁場與轉子同步旋轉，而且高速工作時容易發出振動和雜訊，所以步進電機一般只適用於小微型電動負載場合。

相對于步進電機，伺服電機的技術性能要高一層，由於採用閉環控制方式，能容易實現電機的調速、調矩、高速平穩運行，還有很高的位置精度，能滿足單機和聯機運行控制的各種要求。但伺服電機的產品結構和驅動電路複雜，伺服驅動器兼具變頻器功能，製造成本高；驅動器功率模組直接驅動電機負載電路，受到大功率電機電流等級的限制；尤其是直流伺服電機的電刷和換向器容易磨損，器件更換操作麻煩，維護成本很大，因此伺服電機的市場價格要比傳統電機昂貴許多；伺服電機在實際使用前，需要先解決電機的散熱、隔磁、自鎖和移動部件輕量化等多方面的問題，會受到不同環境條件的局限，使用、操作和維護都比較複雜；伺服電機主要適用於高定位精度的自動化控制設備(如數控機床、CNC設備等)，不適用於低定位精度的電力拖動設備(如產品流水線、大型機械設備等)；由於產品價格高、操作難度大、維護成本高的原因，很大成度的影響和限制了伺服電機的推廣應用。

隨著工業技術的發展，電機的使用環境也發生了很大的變化，市場對電機控制技術提出了更高的要求，用人工來操作和控制電機運行的生產工藝逐漸被自動化所取代，許多單機運行控制也達到了智慧化技術水準，傳統電機已不能滿足市場發展的細分要求，市場大量需要一種技術創新的低造價的和智慧化的新型電機。

磁流變液體被認為是未來最具前途的智慧材料之一，它是一種由高磁導率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒和非導磁體液體混合而成的磁性粒懸浮液當無磁場時，懸浮的微粒鐵顆粒自由地隨液體運動；當施加磁場時，這些懸浮的微粒鐵顆粒被互相吸引，形成一串串鏈式結構從磁場一極到另一極，此時磁流變液體就在毫秒級的瞬間由牛頓流體變成有屈服剪應力的粘彈性體當改變磁場線圈中的電流從而獲得不同強度的磁場，磁流變液的屈服剪應力也發生變化，其剪切屈服強度與磁場強度(或電流大小)具有穩定的對應關係，應用磁流變液可控的、穩定的技術特性而設計的磁流變離合器，在電力傳動和電機控制領域具有廣泛的應用前景，將磁流變離合器的控制技術與電機控制技術進行結合研究，集成設計，開發出新的智慧化節能電機產品將具有巨大的市場推廣價值。

本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種磁流變動力控制電機，採用先進的程式控制和磁流變應用技術，最大限度地實現了技術先進化、結構簡單化、使用方便化和節約資源、降低成本的產品創新目的。

為實現上述目的，設計一種磁流變動力控制電機，包括輸出軸、轉子、驅動後軸承、驅動軸、定子、第一離合軸承、磁流變液、輸出軸承、前離合線圈、離合殼蓋、離合片、後離合線圈、驅動前軸承、離合殼體、第二離合軸承，所述的定子固定安裝在主機殼體內壁，定子內圈設有轉子，驅動軸固定在轉子中心並穿過定子，其特徵在於驅動軸一端連接磁流變離合器，第一離合軸承固定在離合殼蓋上，第二離合軸承固定在離合殼體上，驅動前軸承一端插入離合殼體內，輸出軸一端穿過第一離合軸承，另一端穿入第二離合軸承，離合片固定在輸出軸上，離合片前、後部分別設有前離合線圈和後離合線圈，離合殼蓋與離合殼體構成離合器外殼，離合器外殼內的內部空腔設有磁流變液。

所述的磁流變動力控制電機還包括前殼體、主機殼體、後蓋殼、動力線盒、離合線圈埠、感測器埠、散熱葉輪、驅動軸承架、線圈架、光電感測器、分度反射盤以及伺服電路板，所述的前殼體、主機殼體和後蓋殼連接構成電機外殼，電機外殼上設有動力線盒、離合線圈埠和感測器埠，散熱葉輪安裝在靠近轉子後端面的驅動軸上，驅動軸一端插入離合殼體，另一端裝入驅動後軸承內套，驅動前軸承固定在驅動軸承架上，驅動後軸承固定在後蓋殼上，驅動軸承架安裝在主機殼體與前殼體之間。

所述的離合殼蓋與離合殼體安裝成離合器外殼，內部形成密閉空間，空間內的離合片與離合器外殼內壁有狹窄的間隙，磁流變液通過輸出軸上的壓注口，灌滿離合器殼體內部空間。

所述的磁流變動力控制電機由離合線圈埠、前離合線圈、後離合線圈、線圈架組成磁流變離合線圈，其中線圈架安裝於前殼體內，前離合線圈、後離合線圈安裝在線圈架內，前離合線圈、後離合線圈與離合線圈埠用導線連接。

所述的磁流變動力控制電機由輸出軸、輸出軸承組成動力輸出器，其中輸出軸承固定在前殼體內，輸出軸前段插入輸出軸承內套，後段裝入磁流變離合器。

所述的磁流變動力控制電機由感測器埠、光電感測器、分度反射盤組成信號回饋感測器，其中分度反射盤固定在輸出軸上，光電感測器裝在前殼體內壁，與分度反射盤設有間隔距離，光電感測器與感測器埠採用信號線連接。

所述的磁流變離合器的離合片與離合器殼體內壁的間距<2mm，磁流變液在1T磁場強度條件下，抗剪切強度>50Kpa，離合器殼體內腔注滿磁流變液。

所述的磁流變離合線圈是固定在線圈架內2個串聯的電磁線圈，工作電壓DC24V，額定電流3A，線圈接頭與離合線圈埠連接，離合線圈埠採用Φ10mm標準螺紋接插件。

所述的輸出軸與離合片固定嚙合並同步旋轉。

所述的回饋感測器採用反射式光電感測器件，分度反射盤刻度夾角為6度，感測器埠採用Φ10mm標準螺紋接插件。

磁流變動力控制電機的控制方法為：

a.轉矩控制是指參數設置時輸入設定的電壓值DC 0~9v，伺服電路功率模組產生相應電流0~3A，設定的電壓值與產生的電流值同步對應，從而保持穩定的輸出軸轉矩。參數設置後，在負載啟動或變化時，負載大轉速低，負載小轉速高，但輸出軸轉矩不變。

b.速度控制是指在電機運行過程中，伺服電路會自動比較和識別上位機或定位模組輸入的脈衝速度與感測器回饋的脈衝速度，如果脈衝速度不同，伺服電路會自動調整功率模組輸出電流，從而改變輸出軸的轉速，直至回饋脈衝與輸入脈衝的速度相同為止；如果脈衝速度相同，伺服電路的功率模組輸出穩定的電流，從而保持電機輸出軸穩定的轉速。

c.根據電機或負載移動的距離可計算出感測器回饋的脈衝數量。位置控制是指上位機或定位模組根據計算的脈衝數量，設置要輸入伺服電路的脈衝控制信號頻率和時段，再由伺服電路的功率模組驅動輸出軸旋轉，當脈衝輸入結束，輸出軸旋轉停止，從而實現位置控制。

磁流變動力控制電機的具體控制方法如下：a.電機待機狀態：電源開關打開，電機和伺服電路失電，電機停止；b.負載待機狀態：電源開關閉合，電機帶電運行，伺服電路板帶電，功率模組無電流輸出，由於離合線圈失電，磁流變液失磁還原成液態狀，離合片、輸出軸停止不動；c.負載啟動狀態：電機連續帶電運行，伺服電路板接受上位機的脈衝指令，功率模組電流輸出，離合線圈得電產生磁場，磁流變液相變固化，離合片與離合殼蓋、離合殼體產生離合，這時在驅動軸的帶動下，電機動力經過離合片傳送到輸出軸，輸出軸開始旋轉並啟動負載，同時分度反射盤旋轉的脈衝資訊，通過光電感測器回饋給伺服電路板；d.負載轉矩控制：參數設置輸入設定的電壓值，功率模組輸出電流不變，從而保持輸出軸7穩定的轉矩，輸出器7的轉速與負載大小相對應；e.負載速度控制：上位機或定位模組設置的脈衝速度與光電感測器27回饋的脈衝速度相一致，從而保持輸出軸7穩定的轉速，輸出力矩變化或離合線圈電流變化與負載大小相對應；f.負載位置控制：上位機或定位模組設置的脈衝速度和脈衝總數量，從而換算出負載位移距離、位移速度和位移時間。

本發明與現有技術相比具有如下優點：

1、磁流變動力控制電機採用新材料、新技術和新的設計思路，不改變傳統電機的產品結構和生產工藝，對傳統電機進行了智慧化的技術升級，有利於電機新產品的技術推廣，有利於規模化產業製造。

2、磁流變動力控制電機採用伺服電路與負載電路隔離的技術方案，既簡化了電子伺服控制系統，又節約了電氣控制系統元件(如啟動保護、超載保護、延時控制、變頻控制、離合控制所需的器件)，直接降低產品成本，促進市場採購。

3、磁流變動力控制電機的節能效果和技術性能優於傳統電機，價格性能比和市場需求度高於伺服電機，是填補電機產業技術空白的創新產品。

4、磁流變動力控制電機尤其適用於電力拖動設備(如產品流水線、工業機器人、機械設備等)，能廣泛應用於電力拖動、電力行走、動力傳送和對各種動力裝備或設施進行自動化控制所需的使用領域，應用面廣，市場需求大，有很高的市場推廣價值。

5、磁流變動力控制電機應用磁流變液可控的材料特性，將磁流變離合器與傳統電機進行功能組合，改變了傳統的電機控制方式，使得電機自動化控制技術簡化，操作技術簡便，易於學習推廣。

6、磁流變動力控制電機將對傳統電機企業的產品升級，電機產業的技術發展起到積極推進作用。

1‧‧‧前殼體

2‧‧‧主機殼體

3‧‧‧後蓋殼

4‧‧‧動力線盒

5‧‧‧離合線圈埠

6‧‧‧感測器埠

7‧‧‧輸出軸

8‧‧‧轉子

9‧‧‧散熱葉輪

10‧‧‧驅動後軸承

11‧‧‧驅動軸

12‧‧‧定子

13‧‧‧第一離合軸承

14‧‧‧磁流變液

15‧‧‧輸出軸承

16‧‧‧密封圈1

17‧‧‧離合殼蓋

18‧‧‧前離合線圈

19‧‧‧離合片

20‧‧‧後離合線圈

21‧‧‧驅動軸承架

22‧‧‧驅動前軸承

23‧‧‧離合殼體

24‧‧‧第二離合軸承

25‧‧‧線圈架

26‧‧‧密封圈2

27‧‧‧光電感測器

28‧‧‧分度反射盤

第1圖係本發明一種磁流變動力控制電機及控制方法之結構示意圖。

第2圖係本發明一種磁流變動力控制電機及控制方法之剖視圖。

第3圖係本發明一種磁流變動力控制電機及控制方法之局部示意圖。

第4圖係本發明一種磁流變動力控制電機及控制方法之控制系統結構圖。

現結合第1圖至第4圖及具體實施例對本發明的整套技術方案作進一步闡述，這種製造技術對本領域技術人員來說是非常清楚的。

磁流變動力控制電機，是由電機外部結構、電力驅動器、磁流變離合器、磁流變離合線圈、動力輸出器、回饋感測器以及伺服電路板(安裝在外部電控箱內)核心部件構成的電機。

採用傳統電機的結構體外形及安裝尺寸，將磁流變離合器和電動機集成設計為一體結構。

應用磁流變液的可控特性，通過電機伺服系統對電機內部的磁流變離合器進行閉環控制。

前殼體是核心的功能部件，其內部安裝磁流變離合器、磁流變離合線圈、回饋感測器，其外殼部安裝離合線圈埠和感測器埠。

電力驅動器是指定子、轉子、驅動軸和散熱葉輪機構，其功能等同於傳統電機，但驅動軸與離合器殼體固定嚙合併合同步旋轉。

磁流變離合器的離合片與離合器殼體內壁的間距<2mm，磁流變液在1T磁場強度條件下，抗剪切強度>50Kpa，離合器殼體內腔注滿磁流變液。

磁流變離合線圈是固定在線圈架內2個串聯的電磁線圈，工作電壓DC24V，額定電流3A，線圈接頭與離合線圈埠連接，離合線圈埠採用Φ10mm標準螺紋接插件。

動力輸出器中的輸出軸與離合片固定嚙合並同步旋轉。

回饋感測器採用反射式光電感測器件，分度反射盤刻度夾角為6度，感測器埠採用Φ10mm標準螺紋接插件。

磁流變動力控制電機的電氣控制系統不採用變頻控制電路。

電子控制系統採用傳統伺服電機的伺服電路，功率模組輸出電壓DC24V額定輸出電流3A，輸出端為磁流變離合線圈。

實施例：

磁流變動力控制電機，其中包括前殼體1、主機殼體2、後蓋殼3、動力線盒4、離合線圈埠5、感測器埠6、輸出軸7、轉子8、散熱葉輪9、驅動後軸承10、驅動軸11、定子12、第一離合軸承13、磁流變液14、輸出軸承15、密封圈1(16)、離合殼蓋17、前離合線圈18、離合片19、後離合線圈20、驅動軸承架21、驅動前軸承22、離合殼體23、第二離合軸承24、線圈架25、密封圈2(26)、光電感測器27、分度反射盤28以及伺服電路板組成的磁流變動力控制電機。

所述的磁流變動力控制電機，由前殼體1、主機殼體2、後蓋殼3、動力線盒4、離合線圈埠5、感測器埠6組成電機外部結構。其中前殼體1、後蓋殼3、動力線盒4、離合線圈埠5、感測器埠6安裝在主機殼體2上。

所述的磁流變動力控制電機，由轉子8、散熱葉輪9、驅動後軸承10、驅動軸11、定子12、驅動軸承架21、驅動前軸承22組成電力驅動器。其中定子12固定裝於主機殼體2內壁；驅動軸11固定在轉子8中心，穿過定子12；散熱葉輪9安裝在靠近轉子8後端面的驅動軸11上；驅動軸11一端插入離合殼體23，一端裝入驅動後軸承10內套；驅動前軸承22固定在驅動軸承架21；驅動後軸承10固定在後蓋殼3；驅動軸承架21安裝在主機殼體2與前殼體1之間。

所述的磁流變動力控制電機，由第一離合軸承13、磁流變液14、密封圈1(16)、離合殼蓋17、離合片19、離合殼體23、第二離合軸承24、密封圈2(26)組成磁流變離合器。其中第一離合軸承13、密封圈1(16)固定於離合殼蓋17；離合軸承2(24)、密封圈2(26)固定於離合殼體23；離合殼體23裝入驅動前軸承22內；離合片19固定於輸出軸7上；輸出軸7一端穿過第一離合軸承13，一端穿入第二離合軸承24；離合殼蓋17與離合殼體23安裝成離合器外殼，內部形成密閉空間，空間內的離合片19與離合器外殼內壁有狹窄的間隙；磁流變液14通過輸出軸7上的壓注口，灌滿離合器殼體內部空間。

所述的磁流變動力控制電機，由離合線圈埠5、前離合線圈18、後離合線圈20、線圈架25組成磁流變離合線圈，其中線圈架25安裝於前殼體1內，前離合線圈18、後離合線圈20安裝於線圈架25內，前離合線圈18、後離合線圈20與離合線圈5端用導線連接。

所述的磁流變動力控制電機，由輸出軸7、輸出軸承15組成動力輸出器，其中輸出軸承15固定於前殼體1，輸出軸7前段插入輸出軸承15內套，後段裝入磁流變離合器。

所述的磁流變動力控制電機，由感測器埠6、光電感測器27、分度反射盤28組成信號回饋感測器，其中分度反射盤28固定於輸出軸7，光電感測器27裝於前殼體1壁內，與分度反射盤28有間隔距離；光電感測器27與感測器6埠用信號線連接。

所述的磁流變動力控制電機的控制方法為：

b.速度控制是指在電機運行過程中，伺服電路會自動比較和識別上位機如PLC程式控制器)或定位模組輸入的脈衝速度與感測器回饋的脈衝速度，如果脈衝速度不同，伺服電路會自動調整功率模組輸出電流，從而改變輸出軸的轉速，直至回饋脈衝與輸入脈衝的速度相同為止；如果脈衝速度相同，伺服電路的功率模組輸出穩定的電流，從而保持電機輸出軸穩定的轉速。

c.根據電機或負載移動的距離可計算出感測器回饋的脈衝數量。位置控制是指上位機(如PLC程式控制器)或定位模組根據計算的脈衝數量，設置要輸入伺服電路的脈衝控制信號頻率和時段，再由伺服電路的功率模組驅動輸出軸旋轉，當脈衝輸入結束，輸出軸旋轉停止，從而實現位置控制。

其具體控制方法如下：a.電機待機狀態：電源開關打開，電機和伺服電路失電，電機停止；b.負載待機狀態：電源開關閉合，電機帶電運行，伺服電路板帶電，功率模組無電流輸出，由於離合線圈5失電，磁流變液14失磁還原成液態狀，離合片19、輸出軸7停止不動；c.負載啟動狀態：電機連續帶電運行，伺服電路板接受上位機的脈衝指令，功率模組電流輸出，離合線圈5得電產生磁場，磁流變液14相變固化，離合片19與離合殼蓋17、離合殼體23產生離合，這時在驅動軸11的帶動下，電機動力經過離合片19傳送到輸出軸7，輸出軸7開始旋轉並啟動負載，同時分度反射盤28旋轉的脈衝資訊，通過光電感測器27回饋給伺服電路板；d.負載轉矩控制：參數設置輸入設定的電壓值，功率模組輸出電流不變，從而保持輸出軸7穩定的轉矩，輸出器7的轉速與負載大小相對應；e.負載速度控制：上位機或定位模組設置的脈衝速度與光電感測器27回饋的脈衝速度相一致，從而保持輸出軸7穩定的轉速，輸出力矩變化或離合線圈電流變化與負載大小相對應；f.負載位置控制：上位機或定位模組設置的脈衝速度和脈衝總數量，從而換算出負載位移距離、位移速度和位移時間。