專利名稱：段間移相不對稱六相永磁直線伺服電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電機技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種段間移相不對稱六相永磁直線伺服電機。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的機床用永磁同步直線電機采用分數(shù)槽調(diào)制等措施，雖然對削弱直線電機的端部效應(yīng)及齒槽效應(yīng)推力波動具有顯著效果，但還不能完全消除電機的端部效應(yīng)所產(chǎn)生的推力波動的影響。尤其是對于大推力數(shù)控機床直線進給系統(tǒng)，電機體積較大，縱向長度較長，而且許多工作臺采用多電機并行驅(qū)動，如圖1所示，現(xiàn)有的電機技術(shù)措施無法更好地消除其端部效應(yīng)對推力波動的影響，不能夠滿足高檔數(shù)控機床的高精度要求，使得工作效果差、產(chǎn)品精度低。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述存在的問題，本發(fā)明提供一種段間移相不對稱六相永磁直線伺服電機。它是在高精度大推力永磁直線電機設(shè)計中，通過段間移相，使得兩個單元電機的磁阻推力波動反相抵消，以進一步減小永磁同步直線電機(PMLSM)的端部效應(yīng)引起的推力波動。
本發(fā)明的技術(shù)方案是包括兩個單元電機，相互串聯(lián)或者并聯(lián)連接，兩單元電機初級磁路互相獨立，段間間隔有非導(dǎo)磁材料，兩個單元電機對應(yīng)繞組或者對應(yīng)永磁體次級軸線間移相間隔2kπ±90°，k為整數(shù)，兩單元電機初級共同安裝在移動平臺上，且置于永磁體次級上方，形成一個整體電機。
所述的兩個單元電機繞組采用不對稱六相繞組結(jié)構(gòu)，即兩個單元電機三相繞組采用雙星(雙Y)結(jié)構(gòu)，對應(yīng)各相繞組軸線之間的相位差各差30°電角度。
當各單元電機串聯(lián)連接時，各個電機初級共同置于一個永磁體次級上方；當各單元電機并聯(lián)連接時，各個電機初級分別置于各自的永磁體次級上方。
本發(fā)明中單元電機包括初級鐵心、初級繞組、定子軛、永磁體、直線導(dǎo)軌、機床工作臺，若干塊永磁體平行放置于在定子軛上，對應(yīng)永磁體上方置有電機初級，初級繞組嵌入在初級鐵心的槽中，初級鐵心固定在機床工作臺的下面，機床工作臺通過直線導(dǎo)軌與定子軛固定連接；初級鐵心為平行齒結(jié)構(gòu)，初級繞組為單齒集中成型線圈，即單槽跨距，單相集中相帶形式。
所述的電機初級繞組的所有線圈分成了對稱的三個區(qū)間，每個區(qū)間屬于一相繞組，即每單元電機所對應(yīng)的主磁極數(shù)與每相所具有線圈數(shù)的關(guān)系為主磁極數(shù)Np＝2mNi±1，其中m為電機繞組相數(shù)，Ni為電機每相繞組線圈數(shù)；電機初級對應(yīng)線圈相鄰繞組軸線之間移相間隔為2π±α電角度，其中α為等效槽距角。
單元電機初級鐵心的齒寬與齒距的比值 的范圍為 槽高h與槽寬b的比值 范圍為2.5～3.8；總線圈數(shù)Nc＝mNi；初級鐵心槽數(shù)Q＝2Nc＝2mNi，槽距增量 電角度，等效槽距角 電角度，槽距τy＝180°±Δτy電角度；其中m為電機繞組相數(shù)，Ni為電機每相繞組線圈數(shù)。
本發(fā)明的有益效果(1)從抑制永磁同步直線電機繞組諧波磁動勢的角度看根據(jù)電機繞組基本理論，本發(fā)明的六相雙Y移相30°繞組通入上述六相電流，其基波電流產(chǎn)生的合成磁動勢中只存在11、13、23、25、35、37等次諧波，和單元電機三相60°相帶繞組相比，消除了5，7，17，19，29，31等次諧波。通常5次和7次諧波是三相繞組諧波中較強的兩個分量，對電機推力波動影響較大。因此，六相雙Y移30°繞組消除了這兩個分量，具有重要意義。
(2)從抑制永磁同步直線電機端部效應(yīng)諧波推力波動的角度看90°段間移相不對稱高精度六相永磁直線伺服電機的發(fā)明能夠顯著地抑制電機磁阻端部效應(yīng)所引起的諧波推力波動。
(3)從提高進給伺服系統(tǒng)性能的角度看本發(fā)明采用了六相電機結(jié)構(gòu)，對伺服驅(qū)動器而言，降低了系統(tǒng)功率驅(qū)動單元每相的驅(qū)動功率，特別是對大功率伺服驅(qū)動控制器設(shè)計有積極意義，有利于提高伺服控制器的運行穩(wěn)定性和可靠性。


圖1是現(xiàn)有的多電機并行驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明中電機端部效應(yīng)推力波動抵償示意圖；圖3是本發(fā)明兩單元電機串聯(lián)電磁結(jié)構(gòu)分析示意圖；其中a為兩單元電機局部結(jié)構(gòu)示意圖，b為I單元電機繞組磁動勢向量圖，c為II單元繞組磁動勢向量圖，d為兩個單元電機繞組合成矢量圖；圖4是本發(fā)明中單元電機結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是實施例2兩單元電機并聯(lián)安裝電磁結(jié)構(gòu)分析示意圖；圖6是實施例3結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1.動子I，2.移動平臺，3.定子I，4.動子II，5.定子II，6.二次諧波端部效應(yīng)推力波動波形，7.電機初級，8.電機次級，9.非導(dǎo)磁材料，10.電機繞組，11.主磁極軸線，AI、BI、CI為電機單元I的三相相繞組磁動勢矢量，AII、BII、CII為電機單元II的三相繞組磁動勢矢量，1#～9#為線圈。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步描述實施例1如圖3(a)所示，兩單元電機采用12槽13極直線電機，串聯(lián)安裝，兩單元電機初級7磁路互相獨立，段間間隔有非導(dǎo)磁材料9，兩個單元電機對應(yīng)繞組軸線間移相間隔2kπ-90°，此時k＝7，兩個單元電機繞組10采用不對稱六相繞組結(jié)構(gòu)，即兩個單元電機三相繞組采用雙星結(jié)構(gòu)，對應(yīng)各相繞組軸線之間的相位差各差30°電角度；兩單元電機初級7共同安裝在移動平臺2上，且置于永磁體次級上方，形成一個整體電機。
所采用的舉元電機包括初級鐵心、初級繞組、定子軛、永磁體、直線導(dǎo)軌、機床工作臺，若干塊永磁體平行放置于定子軛上，對應(yīng)永磁體上方置有電機初級7，初級繞組10嵌入在初級鐵心的槽中，初級鐵心固定在機床工作臺的下面，機床工作臺通過直線導(dǎo)軌與定了軛固定連接；初級鐵心為平行齒結(jié)構(gòu)，初級繞組為單齒集中成型線圈，即單槽跨距，單相集中相帶形式。
本例的單元電機參數(shù)初級鐵心的齒寬a＝7mm，槽寬b＝8mm，槽高h＝25mm，電機每相繞組線圈數(shù)Ni＝2，電機繞組相數(shù)m＝3，單元電機總線圈數(shù)Nc＝mNi＝3×2＝6；初級鐵心槽數(shù)Q＝2Nc＝2mNi＝12，槽距增量 電角度，等效槽距角 電角度，槽距τy＝180°±Δτy＝180°+15°電角度；電機初級繞組的所有線圈分成了對稱的三個區(qū)間，每個區(qū)間屬于一相繞組，即每相所對應(yīng)的極對數(shù)與每相所具有線圈數(shù)的關(guān)系主磁極數(shù)Np＝2mNi±1＝12±1，本例中取13；電機初級對應(yīng)線圈相鄰繞組軸線之間移相間隔為2π±α＝360°+30°電角度。
參看圖3a，定義I單元電機1#線圈下對應(yīng)的N極軸線為主磁場軸線，則1#線圈軸線與主磁極軸線重合。根據(jù)圖示繞組結(jié)構(gòu)形式和標號方式，可得到如圖3所示的I單元電機繞組磁動勢向量圖，如圖3b所示。以I單元為基準，II單元移相90°電角度，可得II單元繞組磁動勢向量圖，如圖3c所示。從單元電機矢量圖可以看出，I單元電機和lI單元電機繞組三相旋轉(zhuǎn)磁場具有相同的旋轉(zhuǎn)方向，AI與AII繞組軸線相差90°電角度，將兩個單元電機繞組合成矢量圖歸并到同一個圖中，如圖3d所示。從圖中可以看出BII與AI，CII和BI，AII和CI相位差各差30°。
直接對兩個單元電機中的六個相繞組實行六相供電方式運行。當采用相應(yīng)的六相伺服驅(qū)動器供電時，便是典型的六相雙Y移相30°(不對稱)繞組。采用電流閉環(huán)正弦波脈寬調(diào)制控制方式，保證 與 之間分別相差30°電角度。各電流之間的關(guān)系如下 由于兩個單元電機繞組分別由兩個相差30°的三相對稱電流供電，所以電機的基波繞組因數(shù)與單元電機基波繞組因數(shù)相同。
實施例2本例所采用的單元電機結(jié)構(gòu)與實施例1單元電機結(jié)構(gòu)相同，單元電機總線圈數(shù)仍然為6，只是電機安裝方式不同，如圖5所示，兩單元電機并聯(lián)安裝。兩單元電機次級永磁磁路互相獨立，對應(yīng)移相90°電角度并行安裝。兩單元電機初級共同安裝在一個動子平臺上，且兩個單元電機對應(yīng)繞組軸線重合，分別置于各自對應(yīng)的永磁體次級上方。
經(jīng)上述設(shè)計、安裝后，兩個單元電機繞組仍可形成與例1完全相同的不對稱六相繞組結(jié)構(gòu)，即兩個單元電機三相繞組采用雙星結(jié)構(gòu)，對應(yīng)各相繞組軸線之間的相位差各差30°電角度。
本例的供電方式和電流控制方式與實施例1相同，直接對兩個單元電機中的六個相繞組實行六相供電方式運行；采用相應(yīng)的六相伺服驅(qū)動器供電，即典型的六相雙Y移相30°(不對稱)繞組。采用電流閉環(huán)正弦波脈寬調(diào)制控制方式，兩個單元電機繞組分別由兩個相差30°的三相對稱電流供電。即保證 與 之間分別相差30°電角度。各電流之間的關(guān)系如下
由于兩個單元電機繞組分別由兩個相差30°的三相對稱電流供電，所以電機的基波繞組因數(shù)與單元電機基波繞組因數(shù)相同。
實施例3本例所采用的單元電機結(jié)構(gòu)與實施例1電機結(jié)構(gòu)型式基本相同，只是電機繞組線圈數(shù)不同，本例采用的是每相繞組線圈數(shù)Ni＝3的單元直線電機，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。本例單元電機具體參數(shù)如下初級鐵心的齒寬a＝7mm，槽寬b＝8mm，槽高h＝25mm，電機每相繞組線圈數(shù)Ni＝3，電機繞組相數(shù)m＝3，單元電機總線圈數(shù)Nc＝mNi＝3×3＝9；初級鐵心槽數(shù)Q＝2Nc＝2mNi＝18， 電角度，等效槽距角 電角度，槽距τy＝180°±Δτy＝180°±10°；電機初級繞組的所有線圈分成了對稱的三個區(qū)間，每個區(qū)間屬于一相繞組，即每單元所對應(yīng)的主磁極數(shù)與每相所具有線圈數(shù)的關(guān)系主磁極數(shù)Np＝2mNi±2＝18±1，本例中取19。
如圖6(a)所示，兩單元電機串聯(lián)安裝，兩單元電機初級磁路互相獨立，段間間隔有非導(dǎo)磁材料，兩個單元電機對應(yīng)永磁體次級軸線間移相間隔2kπ+90°，此時k＝10，兩個單元電機繞組采用不對稱六相繞組結(jié)構(gòu)，即兩個單元電機三相繞組采用雙星結(jié)構(gòu)，對應(yīng)各相繞組軸線之間的相位差各差30°電角度；兩單元電機初級共同安裝在動子平臺卜，且胃于永磁體次級上方，形成一個整體電機。
圖6(b)為本例單元電機繞組磁動勢向量圖，可見，經(jīng)如圖6(a)所示設(shè)計、安裝后，兩個單元電機繞組仍可形成與例1完全相同的不對稱六相繞組結(jié)構(gòu)，即兩個單元電機三相繞組采用雙星結(jié)構(gòu)，對應(yīng)各相繞組軸線之間的相位差各差30°電角度。
本例的供電方式仍然和電流控制方式與實施例1相同，直接對兩個單元電機中的六個相繞組實行六相供電方式運行；采用相應(yīng)的六相伺服驅(qū)動器供電，即典型的六相雙Y移相30°(不對稱)繞組。
權(quán)利要求
1.一種段間移相不對稱六相永磁直線伺服電機，其特征在于包括兩個單元電機，相互串聯(lián)或者并聯(lián)連接，兩單元電機初級磁路互相獨立，段間間隔有非導(dǎo)磁材料，兩個單元電機對應(yīng)繞組或者對應(yīng)永磁體次級軸線間移相間隔2kπ±90°，k為整數(shù)，兩單元電機初級共同安裝在移動平臺上，且置于永磁體次級上方，形成一個整體電機。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的段間移相不對稱六相永磁直線伺服電機，其特征在于所述的兩個單元電機繞組采用不對稱六相繞組結(jié)構(gòu)，即兩個單元電機三相繞組采用雙星結(jié)構(gòu)，對應(yīng)各相繞組軸線之間的相位差各差30°電角度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的段間移相不對稱六相永磁直線伺服電機，其特征在于所述的各單元電機串聯(lián)連接時，各個電機初級共同置于一個永磁體次級上方；各單元電機并聯(lián)連接時，各個電機初級分別置于各自的永磁體次級上方。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3任一項所述的段間移相不對稱六相永磁直線伺服電機，其特征在于所述的單元電機包括初級鐵心、初級繞組、定子軛、永磁體、直線導(dǎo)軌、機床工作臺，若干塊永磁體平行放置于在定子軛上，對應(yīng)永磁體上方置有電機初級，初級繞組嵌入在初級鐵心的槽中，初級鐵心固定在機床工作臺的下面，機床工作臺通過直線導(dǎo)軌與定子軛固定連接；初級鐵心為平行齒結(jié)構(gòu)，初級繞組為單齒集中成型線圈，即單槽跨距，單相集中相帶形式。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的段間移相不對稱六相永磁直線伺服電機，其特征在于所述的電機初級繞組的所有線圈分成了對稱的三個區(qū)間，每個區(qū)間屬于一相繞組，即每單元電機所對應(yīng)的主磁極數(shù)與每相所具有線圈數(shù)的關(guān)系為主磁極數(shù)Np＝2mNi±1，其中m為電機繞組相數(shù)，Ni為電機每相繞組線圈數(shù)；電機初級對應(yīng)線圈相鄰繞組軸線之間移相間隔為2π±α電角度，其中α為等效槽距角。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的段間移相不對稱六相永磁直線伺服電機，其特征在于所述的單元電機初級鐵心的齒寬與齒距的比值 的范圍為 槽高h與槽寬b的比值 范圍為2.5～3.8；總線圈數(shù)Nc＝mNi；初級鐵心槽數(shù)Q＝2Nc＝2mNi，槽距增量 電角度，等效槽距角 電角度，槽距τy＝180°±Δτy電角度；其中m為電機繞組相數(shù)，Ni為電機每相繞組線圈數(shù)。
全文摘要
一種段間移相不對稱六相永磁直線伺服電機，屬于電機技術(shù)領(lǐng)域。其結(jié)構(gòu)包括兩個單元電機，相互串聯(lián)或者并聯(lián)連接，兩單元電機初級磁路互相獨立，段間間隔有非導(dǎo)磁材料，兩個單元電機對應(yīng)繞組或者對應(yīng)永磁體次級軸線間移相間隔2kπ±90°，k為整數(shù)，兩個單元電機繞組采用不對稱六相繞組結(jié)構(gòu)，兩單元電機初級共同安裝在移動平臺上，且置于永磁體次級上方，形成一個整體電機。本發(fā)明的有益效果抑制永磁同步直線電機繞組諧波影響；能夠顯著地抑制電機磁阻端部效應(yīng)所引起的諧波推力波動；降低了系統(tǒng)功率驅(qū)動單元每相的驅(qū)動功率，特別是對大功率伺服驅(qū)動控制器設(shè)計有積極意義，有利于提高伺服控制器的運行穩(wěn)定性和可靠性。
文檔編號H02K41/03GK1967980SQ20061013436
公開日2007年5月23日 申請日期2006年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月24日
發(fā)明者夏加寬, 王成元, 黃偉, 周美文 申請人:沈陽工業(yè)大學(xué)