專利名稱：基于移相技術(shù)的雙轉(zhuǎn)子永磁環(huán)形力矩電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電機技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于移相技術(shù)的雙轉(zhuǎn)子永磁環(huán)形力矩電機。適用于數(shù)控轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的用于高檔數(shù)控機床精密轉(zhuǎn)臺直接驅(qū)動的環(huán)形力矩電機大多為單轉(zhuǎn)子電機，即采用單個電機直接驅(qū)動轉(zhuǎn)臺工作，有內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，也有外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。這類電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)臺，未來充分利用轉(zhuǎn)臺內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，從而使得轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)矩密度偏低。若采用兩個傳統(tǒng)方式的獨立電機構(gòu)成內(nèi)外環(huán)安裝結(jié)構(gòu)來共同驅(qū)動轉(zhuǎn)臺，則會帶來兩套控制系統(tǒng)之間的功率匹配和同步控制等技術(shù)難題。而隨著現(xiàn)代機床功率的不斷增大，所加工的工件體積(重量)也越來越大，因此又需要轉(zhuǎn)臺電機具有更高的轉(zhuǎn)矩密度，使轉(zhuǎn)臺具有高速度和高加速度，提高轉(zhuǎn)臺的動態(tài)響應(yīng)特性。同時現(xiàn)代機床加工精度要求又在不斷提高，要求轉(zhuǎn)臺驅(qū)動電機還應(yīng)盡量減少轉(zhuǎn)矩波動，以進一步提高機床加工精度和定位精度。而傳統(tǒng)永磁環(huán)形力矩電機齒槽轉(zhuǎn)矩波動就是影響機床加工精度和定位精度的主要原因之一。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述存在的問題，結(jié)合轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)特點，本發(fā)明提供一種基于移相技術(shù)的雙轉(zhuǎn)子永磁環(huán)形力矩電機，它是基于內(nèi)外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)采用移相技術(shù)的數(shù)控轉(zhuǎn)臺用永磁環(huán)形力矩電機。
本發(fā)明包括轉(zhuǎn)子法蘭、外轉(zhuǎn)子電機、內(nèi)轉(zhuǎn)子電機、定子安裝冷卻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子法蘭為雙環(huán)結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子法蘭內(nèi)外環(huán)之間的空腔中心部位有定子安裝冷卻結(jié)構(gòu)，在冷卻結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子法蘭內(nèi)外環(huán)間分別安裝內(nèi)轉(zhuǎn)子電機和外轉(zhuǎn)子電機，兩個電機的轉(zhuǎn)子共同連接在一個轉(zhuǎn)子法蘭上形成一個整體，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機和外轉(zhuǎn)子電機的定子齒均采用不等齒寬結(jié)構(gòu)，即大齒的齒頂寬與磁極寬相等。
兩電機繞組采用集中式繞組形式，采用對應(yīng)移相安裝方式，即兩電機轉(zhuǎn)子的磁極軸線重合，兩電機定子各相繞組軸線在徑向?qū)?yīng)移相Δθ，或者兩電機定子各相繞組軸線重合，而兩電機轉(zhuǎn)子的磁極軸線在徑向?qū)?yīng)移相Δθ 其中NP為電機的極數(shù)，NS為電機的槽數(shù)。
本發(fā)明的有益效果在總體結(jié)構(gòu)上，采用了內(nèi)外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，有效利用了轉(zhuǎn)臺內(nèi)部空間，增加了轉(zhuǎn)臺驅(qū)動轉(zhuǎn)矩密度；同時在具體設(shè)計過程中，電機繞組采用集中式繞組形式，這種形式可以使繞組端部最短，從而降低了銅體積，減少了焦耳熱量的損耗，提高了電機整體效率，而且這種繞組形式的電機裝配工藝簡單。另外，電機采用不等齒寬結(jié)構(gòu)，有效的提高磁鏈密度和繞組利用系數(shù)，從而提高了電機的平均轉(zhuǎn)矩。
本發(fā)明結(jié)合內(nèi)外轉(zhuǎn)子永磁環(huán)形力矩電機結(jié)構(gòu)特點，采用移相技術(shù)來進一步解決齒槽轉(zhuǎn)矩波動這一問題。通過內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間的相對移相，可有效消除永磁同步電機的齒槽轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)臺加工精度和定位精度的影響，降低控制器的設(shè)計和控制難度，并提高伺服系統(tǒng)的低速穩(wěn)定性和定位精度，在現(xiàn)代機床回轉(zhuǎn)伺服進給應(yīng)用以及機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動應(yīng)用中具有重大意義。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1無轉(zhuǎn)子法蘭時的A-A剖視示意圖；圖3是圖2中的I部放大示意圖；圖4是電機不等齒頂寬與等齒頂寬結(jié)構(gòu)放大比較，其中(a)為不等齒頂寬結(jié)構(gòu)，(b)為等齒頂寬結(jié)構(gòu)；圖5是兩電機對應(yīng)移相安裝方式，圖中為內(nèi)外轉(zhuǎn)子永磁磁極軸線重合，兩電機定子各相繞組軸線在徑向?qū)?yīng)移相Δθ電角度安裝；圖6是內(nèi)外轉(zhuǎn)子電機的定子繞組磁動勢向量圖以及它們的合成磁動勢向量圖，其中(a)為外轉(zhuǎn)子電機的繞組磁動勢向量圖，(b)為內(nèi)轉(zhuǎn)子電機的繞組磁動勢向量圖，(c)為兩繞組的合成磁動勢向量圖；圖中1.轉(zhuǎn)子法蘭，2.內(nèi)轉(zhuǎn)子電機轉(zhuǎn)子軛鐵，3.內(nèi)轉(zhuǎn)子電機轉(zhuǎn)子永磁體，4.內(nèi)轉(zhuǎn)子電機定子，5.冷卻套，6.定子安裝冷卻結(jié)構(gòu)，7.外轉(zhuǎn)子電機定子，8.外轉(zhuǎn)子電機轉(zhuǎn)子永磁體，9.外轉(zhuǎn)子電機轉(zhuǎn)子軛鐵，10.移相角度，11.冷卻環(huán)，12.外轉(zhuǎn)子電機定子C相繞組，13.外轉(zhuǎn)子電機定子B相繞組，14.外轉(zhuǎn)子電機定子A相繞組，15.外轉(zhuǎn)子電機定子A相繞組軸線，16.外轉(zhuǎn)子電機轉(zhuǎn)子永磁體N極軸線，17.內(nèi)轉(zhuǎn)子電機轉(zhuǎn)子永磁體N極軸線，18.內(nèi)轉(zhuǎn)子電機定子A相繞組軸線，19.內(nèi)轉(zhuǎn)子電機定子A相繞組，20.內(nèi)轉(zhuǎn)子電機定子B相繞組，21.內(nèi)轉(zhuǎn)子電機定子C相繞組，22.內(nèi)、外轉(zhuǎn)子電機定子鐵芯，23.冷卻液通道，α-A相繞組軸線與N極永磁體磁極軸線間的相位角。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步描述實施例如圖1、圖2所示，本發(fā)明包括轉(zhuǎn)子法蘭1、外轉(zhuǎn)子電機、內(nèi)轉(zhuǎn)子電機和定子安裝冷卻結(jié)構(gòu)6，兩單元電機均采用96槽80極直線電機，串聯(lián)安裝，轉(zhuǎn)子法蘭1為雙環(huán)結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子法蘭1內(nèi)外環(huán)之間為定子安裝冷卻結(jié)構(gòu)6，在定子安裝冷卻結(jié)構(gòu)6和轉(zhuǎn)子法蘭1內(nèi)外環(huán)間分別安裝內(nèi)轉(zhuǎn)子電機和外轉(zhuǎn)子電機，兩個電機的轉(zhuǎn)子共同連接在一個轉(zhuǎn)子法蘭上形成一個整體，定子安裝冷卻結(jié)構(gòu)6包括冷卻環(huán)11和冷卻套5，在冷卻環(huán)11的內(nèi)側(cè)和外側(cè)表面上均開有螺旋形冷卻液通道23，在冷卻環(huán)11兩側(cè)安裝有冷卻套5，在冷卻套5內(nèi)外側(cè)分別嵌裝有內(nèi)、外轉(zhuǎn)子電機定子鐵芯；內(nèi)轉(zhuǎn)子電機和外轉(zhuǎn)子電機的定子齒均采用不等齒寬結(jié)構(gòu)，即大齒的齒頂寬與磁極寬相等。如圖4(a)所示，可以將均勻分布的導(dǎo)體等效為集中在所畫槽口中心線上。若將套有集中繞組的齒頂寬增大到一個極距，則不等齒頂寬的等效繞組跨距y＝τ，短距系數(shù)達到1；而對于等齒寬結(jié)構(gòu)，如圖4(b)，等效繞組的跨距y1＜τ。所以等齒頂寬電機繞組短距系數(shù)小于不等齒頂寬電機。又由于兩種電機繞組分布形式均為集中式，則兩者的繞組分布系數(shù)相同，因此不等齒頂寬的電機繞組利用系數(shù)大于等齒頂寬電機。這種結(jié)構(gòu)有效的提高磁鏈密度和繞組利用系數(shù)，從而提高了電機的平均轉(zhuǎn)矩。
兩電機磁路互相獨立，內(nèi)外轉(zhuǎn)子電機的磁極軸線重合，而兩電機的繞組軸線相差一定的機械角度Δθ，如圖5所示 相當于30°電角度，兩個單元電機三相繞組均采用星形連接結(jié)構(gòu)，內(nèi)外轉(zhuǎn)子電機定子齒采用不等齒結(jié)構(gòu)，內(nèi)外轉(zhuǎn)子電機轉(zhuǎn)予安裝成一個整體，如附圖1所示。
由附圖6可得到電機兩繞組的磁動勢合成向量圖。外轉(zhuǎn)子電機繞組磁動勢向量圖，如附圖6(a)所示；以外轉(zhuǎn)子電機的A相繞組軸線為基準，將內(nèi)轉(zhuǎn)子電機的繞組軸線移相30°電角度，可得內(nèi)轉(zhuǎn)子電機繞組磁動勢向量圖，如附圖6(b)所示。從單元電機矢量圖可以看出，外轉(zhuǎn)子電機和內(nèi)轉(zhuǎn)子電機繞組三相旋轉(zhuǎn)磁場具有相同的旋轉(zhuǎn)方向，將兩個單元電機繞組合成矢量圖歸并到同一個圖中，如附圖6(c)所示。由于設(shè)計的單元電機極數(shù)多，并且槽數(shù)與極數(shù)較為接近，使得單元電機產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩波動頻率較高，所以兩個單元電機的繞組軸線夾角很小，不會對繞組利用系數(shù)造成很大的影響，以A相繞組為例，基波繞組利用率為0.966，可見繞組利用率仍然很高，所以這種繞組結(jié)構(gòu)在削弱齒槽轉(zhuǎn)矩脈動的同時又保持了電機的較好電磁性能，符合繞組理論的基本要求。
將兩個單元電機中的六個相繞組分別進行星形連接后，在串聯(lián)實現(xiàn)三相供電方式運行。采用電流閉環(huán)正弦波脈寬調(diào)制控制方式，輸入的三相電流 的表示如下
權(quán)利要求
1.一種基于移相技術(shù)的雙轉(zhuǎn)子永磁環(huán)形力矩電機，包括轉(zhuǎn)子法蘭、外環(huán)電機、內(nèi)環(huán)電機、定子安裝冷卻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子法蘭為雙環(huán)結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子法蘭內(nèi)外環(huán)之間空腔中心部位有定子安裝冷卻結(jié)構(gòu)，在定子安裝冷卻結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子法蘭內(nèi)外環(huán)間分別安裝內(nèi)環(huán)電機和外環(huán)電機，兩個電機的轉(zhuǎn)子共同連接在一個轉(zhuǎn)子法蘭結(jié)構(gòu)上形成一個整體，其特征在于內(nèi)環(huán)電機和外環(huán)電機的定子齒均采用不等齒寬結(jié)構(gòu)，即大齒的齒頂寬與磁極寬相等。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于移相技術(shù)的雙轉(zhuǎn)子永磁環(huán)形力矩電機，其特征在于所述的兩電機轉(zhuǎn)子的磁極軸線重合，兩電機定子各相繞組軸線在徑向?qū)?yīng)移相Δθ；或者兩電機定子各相繞組軸線重合，而兩電機轉(zhuǎn)子的磁極軸線在徑向?qū)?yīng)移相Δθ，則 其中，NP為電機的極數(shù)，NS為電機的槽數(shù)。
全文摘要
一種基于移相技術(shù)的雙轉(zhuǎn)子永磁環(huán)形力矩電機，屬于電機技術(shù)領(lǐng)域。其結(jié)構(gòu)包括轉(zhuǎn)子法蘭、外環(huán)電機、內(nèi)環(huán)電機、定子安裝冷卻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子法蘭為雙環(huán)結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子法蘭內(nèi)外環(huán)之間空腔中心部位有定子安裝及冷卻結(jié)構(gòu)，在定子安裝冷卻結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子法蘭內(nèi)外環(huán)間分別安裝內(nèi)環(huán)電機和外環(huán)電機，兩個電機的轉(zhuǎn)子共同連接在一個轉(zhuǎn)子法蘭結(jié)構(gòu)上形成一個整體，內(nèi)環(huán)電機和外環(huán)電機的定子齒均采用不等齒寬結(jié)構(gòu)，即大齒的齒頂寬與磁極寬相等。本發(fā)明提高了電機整體效率、磁鏈密度和繞組利用系數(shù)和平均轉(zhuǎn)矩。通過內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間的相對移相，有效消除永磁同步電機的齒槽轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)臺加工精度和定位精度的影響，提高伺服系統(tǒng)的低速穩(wěn)定性和定位精度。
文檔編號H02K1/16GK101056024SQ20071001056
公開日2007年10月17日 申請日期2007年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月13日
發(fā)明者王成元, 夏加寬, 董婷, 王貴子 申請人:沈陽工業(yè)大學(xué)