專利名稱：基于移相技術的雙轉子永磁環(huán)形力矩電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電機技術領域，特別是涉及一種基于移相技術的雙轉子永磁環(huán)形力矩電機。適用于數(shù)控轉臺的驅動。
背景技術：
現(xiàn)有的用于高檔數(shù)控機床精密轉臺直接驅動的環(huán)形力矩電機大多為單轉子電機，即采用單個電機直接驅動轉臺工作，有內轉子結構，也有外轉子結構。這類電機驅動的轉臺，未來充分利用轉臺內部空間結構，從而使得轉臺轉矩密度偏低。若采用兩個傳統(tǒng)方式的獨立電機構成內外環(huán)安裝結構來共同驅動轉臺，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，因此又需要轉臺電機具有更高的轉矩密度，使轉臺具有高速度和高加速度，提高轉臺的動態(tài)響應特性。同時現(xiàn)代機床加工精度要求又在不斷提高，要求轉臺驅動電機還應盡量減少轉矩波動，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)明內容
針對上述存在的問題，結合轉臺結構特點，本發(fā)明提供一種基于移相技術的雙轉子永磁環(huán)形力矩電機，它是基于內外轉子結構采用移相技術的數(shù)控轉臺用永磁環(huán)形力矩電機。
本發(fā)明包括轉子法蘭、外轉子電機、內轉子電機、定子安裝冷卻結構，轉子法蘭為雙環(huán)結構，在轉子法蘭內外環(huán)之間的空腔中心部位有定子安裝冷卻結構，在冷卻結構和轉子法蘭內外環(huán)間分別安裝內轉子電機和外轉子電機，兩個電機的轉子共同連接在一個轉子法蘭上形成一個整體，內轉子電機和外轉子電機的定子齒均采用不等齒寬結構，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，采用對應移相安裝方式，即兩電機轉子的磁極軸線重合，兩電機定子各相繞組軸線在徑向對應移相Δθ，或者兩電機定子各相繞組軸線重合，而兩電機轉子的磁極軸線在徑向對應移相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構上，采用了內外轉子結構，有效利用了轉臺內部空間，增加了轉臺驅動轉矩密度；同時在具體設計過程中，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構，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矩。
本發(fā)明結合內外轉子永磁環(huán)形力矩電機結構特點，采用移相技術來進一步解決齒槽轉矩波動這一問題。通過內外轉子之間的相對移相，可有效消除永磁同步電機的齒槽轉矩對轉臺加工精度和定位精度的影響，降低控制器的設計和控制難度，并提高伺服系統(tǒng)的低速穩(wěn)定性和定位精度，在現(xiàn)代機床回轉伺服進給應用以及機器人關節(jié)驅動應用中具有重大意義。


圖1是本發(fā)明的整體結構示意圖；圖2是圖1無轉子法蘭時的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構放大比較，其中(a)為不等齒頂寬結構，(b)為等齒頂寬結構；圖5是兩電機對應移相安裝方式，圖中為內外轉子永磁磁極軸線重合，兩電機定子各相繞組軸線在徑向對應移相Δθ電角度安裝；圖6是內外轉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)為外轉子電機的繞組磁動勢向量圖，(b)為內轉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.轉子法蘭，2.內轉子電機轉子軛鐵，3.內轉子電機轉子永磁體，4.內轉子電機定子，5.冷卻套，6.定子安裝冷卻結構，7.外轉子電機定子，8.外轉子電機轉子永磁體，9.外轉子電機轉子軛鐵，10.移相角度，11.冷卻環(huán)，12.外轉子電機定子C相繞組，13.外轉子電機定子B相繞組，14.外轉子電機定子A相繞組，15.外轉子電機定子A相繞組軸線，16.外轉子電機轉子永磁體N極軸線，17.內轉子電機轉子永磁體N極軸線，18.內轉子電機定子A相繞組軸線，19.內轉子電機定子A相繞組，20.內轉子電機定子B相繞組，21.內轉子電機定子C相繞組，22.內、外轉子電機定子鐵芯，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)明包括轉子法蘭1、外轉子電機、內轉子電機和定子安裝冷卻結構6，兩單元電機均采用96槽80極直線電機，串聯(lián)安裝，轉子法蘭1為雙環(huán)結構，在轉子法蘭1內外環(huán)之間為定子安裝冷卻結構6，在定子安裝冷卻結構6和轉子法蘭1內外環(huán)間分別安裝內轉子電機和外轉子電機，兩個電機的轉子共同連接在一個轉子法蘭上形成一個整體，定子安裝冷卻結構6包括冷卻環(huán)11和冷卻套5，在冷卻環(huán)11的內側和外側表面上均開有螺旋形冷卻液通道23，在冷卻環(huán)11兩側安裝有冷卻套5，在冷卻套5內外側分別嵌裝有內、外轉子電機定子鐵芯；內轉子電機和外轉子電機的定子齒均采用不等齒寬結構，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；而對于等齒寬結構，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。這種結構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矩。
兩電機磁路互相獨立，內外轉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構，內外轉子電機定子齒采用不等齒結構，內外轉子電機轉予安裝成一個整體，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。外轉子電機繞組磁動勢向量圖，如附圖6(a)所示；以外轉子電機的A相繞組軸線為基準，將內轉子電機的繞組軸線移相30°電角度，可得內轉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，外轉子電機和內轉子電機繞組三相旋轉磁場具有相同的旋轉方向，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，所以這種繞組結構在削弱齒槽轉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)正弦波脈寬調制控制方式，輸入的三相電流 的表示如下
權利要求
1.一種基于移相技術的雙轉子永磁環(huán)形力矩電機，包括轉子法蘭、外環(huán)電機、內環(huán)電機、定子安裝冷卻結構，轉子法蘭為雙環(huán)結構，在轉子法蘭內外環(huán)之間空腔中心部位有定子安裝冷卻結構，在定子安裝冷卻結構和轉子法蘭內外環(huán)間分別安裝內環(huán)電機和外環(huán)電機，兩個電機的轉子共同連接在一個轉子法蘭結構上形成一個整體，其特征在于內環(huán)電機和外環(huán)電機的定子齒均采用不等齒寬結構，即大齒的齒頂寬與磁極寬相等。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于移相技術的雙轉子永磁環(huán)形力矩電機，其特征在于所述的兩電機轉子的磁極軸線重合，兩電機定子各相繞組軸線在徑向對應移相Δθ；或者兩電機定子各相繞組軸線重合，而兩電機轉子的磁極軸線在徑向對應移相Δθ，則 其中，NP為電機的極數(shù)，NS為電機的槽數(shù)。
全文摘要
一種基于移相技術的雙轉子永磁環(huán)形力矩電機，屬于電機技術領域。其結構包括轉子法蘭、外環(huán)電機、內環(huán)電機、定子安裝冷卻結構，轉子法蘭為雙環(huán)結構，在轉子法蘭內外環(huán)之間空腔中心部位有定子安裝及冷卻結構，在定子安裝冷卻結構和轉子法蘭內外環(huán)間分別安裝內環(huán)電機和外環(huán)電機，兩個電機的轉子共同連接在一個轉子法蘭結構上形成一個整體，內環(huán)電機和外環(huán)電機的定子齒均采用不等齒寬結構，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)和平均轉矩。通過內外轉子之間的相對移相，有效消除永磁同步電機的齒槽轉矩對轉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