一種適用于機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)的直流無刷永磁同步電的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型是一種適用于機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)的直流無刷永磁同步電機(jī)，包括電機(jī)外殼，在電機(jī)外殼內(nèi)通過軸承架設(shè)有轉(zhuǎn)子軸，轉(zhuǎn)子軸上設(shè)置有轉(zhuǎn)子片，在轉(zhuǎn)子片外部設(shè)置有定子線圈，其特征在于：所述的轉(zhuǎn)子片上設(shè)置有永磁磁鋼，永磁磁鋼內(nèi)置在轉(zhuǎn)子片上或貼在轉(zhuǎn)子片外緣表面上，定子線圈由控制器控制其工作。本實(shí)用新型生產(chǎn)工藝先進(jìn)，提高磁性能，降低磁性材料成本；省掉和伺服電機(jī)配套的位置傳感器和編碼器，工作性能更可靠，且成本也低很多；在轉(zhuǎn)子片的兩側(cè)裝有非磁性不銹鋼夾板，具有加強(qiáng)轉(zhuǎn)子整體的強(qiáng)度和平衡調(diào)節(jié)的作用；本實(shí)用新型控制轉(zhuǎn)速的精度達(dá)到0.02％，實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制性能大幅提升，節(jié)能高效，電機(jī)體積重量減少，降低生產(chǎn)和使用成本，提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
【專利說明】一種適用于機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)的直流無刷永磁同步電機(jī)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)的【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及電機(jī)，特指一種適用于機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)的直流無刷永磁同步電機(jī)。

【背景技術(shù)】
[0002]目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上工業(yè)加工的低速機(jī)床，數(shù)控機(jī)床用皮帶輪驅(qū)動(dòng)的主軸電機(jī)，基本上以三相異步電動(dòng)機(jī)為主體的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，調(diào)速則以多級(jí)變速箱的齒輪調(diào)速或矢量變頻器對(duì)異步電機(jī)變頻調(diào)速方式進(jìn)行為主，轉(zhuǎn)速受負(fù)載影響變化大，不能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)范圍較廣的調(diào)速。在近年的數(shù)控機(jī)床上也有用編碼器配套的伺服電機(jī)調(diào)速，采用編碼器位置控機(jī)的矢量變頻伺服電機(jī)的技術(shù)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易發(fā)故障，制造成本高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本實(shí)用新型的目的在于提供一種采用直流變頻技術(shù)的無位置傳感器的無刷永磁同步電機(jī)給各類機(jī)床主軸作驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制轉(zhuǎn)速的精度達(dá)到0.02%，實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制性能大幅提升，節(jié)能高效，電機(jī)體積重量減少，降低生產(chǎn)和使用成本，提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
[0004]本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種適用于機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)的直流無刷永磁同步電機(jī)，包括電機(jī)外殼，在電機(jī)外殼內(nèi)通過軸承架設(shè)有轉(zhuǎn)子軸，轉(zhuǎn)子軸上設(shè)置有轉(zhuǎn)子片，在轉(zhuǎn)子片外部設(shè)置有定子線圈，所述的轉(zhuǎn)子片上設(shè)置有永磁磁鋼，永磁磁鋼內(nèi)置在轉(zhuǎn)子片上或貼在轉(zhuǎn)子片外緣表面上，定子線圈由控制器控制其工作。
[0005]上述的永磁磁鋼呈“一”字形或者“V”字形的結(jié)構(gòu)均布在轉(zhuǎn)子片上。
[0006]上述的永磁磁鋼有四組、六組或八組。
[0007]上述的轉(zhuǎn)子片的兩側(cè)通過鉚釘連接有非磁性不銹鋼夾板。
[0008]上述的夾板上開設(shè)有供永磁磁鋼嵌入轉(zhuǎn)子片的通槽，在夾板沿外圓邊均設(shè)有若干個(gè)平衡用的螺紋孔。
[0009]上述的永磁磁鋼嵌入轉(zhuǎn)子片的通槽后用膠水粘固。
[0010]上述的定子線圈的結(jié)構(gòu)為集中式或分布式。
[0011]上述的控制器包括輸入及顯示模塊、微處理器模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊和電源整流模塊，其中輸入及顯示模塊先將指令傳送到微處理器模塊上，微處理器模塊再控制功率驅(qū)動(dòng)模塊，最后功率驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)定子線圈工作；所述的電源整流模塊為微處理器模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊及定子線圈供電。
[0012]本實(shí)用新型相比現(xiàn)有技術(shù)突出且有益的技術(shù)效果是:
[0013]1、本實(shí)用新型生廣工藝先進(jìn)，提尚Q軸電感，提尚磁性能，提尚電機(jī)加速變速性能，提高電機(jī)過載能力，降低磁性材料成本；
[0014]2、本實(shí)用新型采用的控制器控制方便又高效，適用于需要頻繁控制的各類機(jī)床，比日前普遍采用的編碼器矢量變頻的伺服電機(jī)更勝一籌，省掉和伺服電機(jī)配套的位置傳感器和編碼器，工作性能更可靠，且成本也低很多；
[0015]3、本實(shí)用新型在轉(zhuǎn)子片的兩側(cè)裝有非磁性不銹鋼夾板，可以加強(qiáng)轉(zhuǎn)子整體的強(qiáng)度，還有調(diào)節(jié)平衡方面的作用；
[0016]4、本實(shí)用新型控制轉(zhuǎn)速的精度達(dá)到0.02%，實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制性能大幅提升，節(jié)能高效，電機(jī)體積重量減少，降低生產(chǎn)和使用成本，提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本實(shí)用新型電機(jī)外殼的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是本實(shí)用新型內(nèi)置“一”字形磁鋼的集中式繞組定轉(zhuǎn)子示意圖；
[0019]圖3是本實(shí)用新型內(nèi)置“一”字形磁鋼的分布式繞組定轉(zhuǎn)子示意圖；
[0020]圖4是本實(shí)用新型內(nèi)置“V”字形磁鋼的集中式繞組定轉(zhuǎn)子示意圖；
[0021]圖5是本實(shí)用新型內(nèi)置“V”字形磁鋼的分布式繞組定轉(zhuǎn)子示意圖；
[0022]圖6是本實(shí)用新型表貼式磁鋼集中式繞組定轉(zhuǎn)子示意圖；
[0023]圖7是本實(shí)用新型表貼式磁鋼分布式繞組定轉(zhuǎn)子示意圖；
[0024]圖8是本實(shí)用新型內(nèi)置“一”字形磁鋼的夾板示意圖；
[0025]圖9是本實(shí)用新型內(nèi)置“V”字形磁鋼的夾板示意圖；
[0026]圖10是本實(shí)用新型控制器的原理框圖。
[0027]圖中圖號(hào)含義:
[0028]100-電機(jī)外殼；200_轉(zhuǎn)子片；300_定子線圈；400_永磁磁鋼；500_夾板；600_鉚釘孔；700_通槽；800_控制器；900_螺紋孔。

【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖以具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述:
[0030]參考圖1-圖10所示，一種適用于機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)的直流無刷永磁同步電機(jī)，包括電機(jī)外殼100，在電機(jī)外殼100內(nèi)通過軸承架設(shè)有轉(zhuǎn)子軸，轉(zhuǎn)子軸上設(shè)置有轉(zhuǎn)子片200，在轉(zhuǎn)子片200外部設(shè)置有定子線圈300，所述的轉(zhuǎn)子片200上設(shè)置有永磁磁鋼400，永磁磁鋼400內(nèi)置在轉(zhuǎn)子片200上或貼在轉(zhuǎn)子片200外緣表面上(優(yōu)選內(nèi)置式，貼在轉(zhuǎn)子片200外緣表面上叫做表貼式)，定子線圈300由控制器800控制其工作。
[0031]上述的永磁磁鋼400呈“一”字形或者“V”字形的結(jié)構(gòu)均布在轉(zhuǎn)子片200上。
[0032]上述的永磁磁鋼400有四組、六組或八組。
[0033]上述的轉(zhuǎn)子片200的兩側(cè)通過鉚釘連接有非磁性不銹鋼夾板500 (在夾板500的中部開設(shè)有若干個(gè)鉚釘孔600)。
[0034]上述的夾板500上開設(shè)有供永磁磁鋼400嵌入轉(zhuǎn)子片200的通槽700，在夾板500沿外圓邊均設(shè)有若干個(gè)平衡用的螺紋孔900 (螺紋孔900按實(shí)際需要決定分布位置和數(shù)量)O
[0035]上述的永磁磁鋼400嵌入轉(zhuǎn)子片200的通槽700后用膠水粘固。
[0036]上述的定子線圈300的結(jié)構(gòu)為集中式或分布式(優(yōu)選為集中式)。
[0037]上述的控制器800包括輸入及顯示模塊、微處理器模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊和電源整流模塊，其中輸入及顯示模塊先將指令傳送到微處理器模塊上，微處理器模塊再控制功率驅(qū)動(dòng)模塊，最后功率驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)定子線圈300工作；所述的電源整流模塊為微處理器模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊及定子線圈300供電。
[0038]上述的微處理器模塊為DSP數(shù)字信號(hào)處理器。
[0039]本實(shí)用新型無霍爾等位置傳感器，轉(zhuǎn)子慣量小，扭矩大，和直流變頻技術(shù)的控制器配套使用后，方便實(shí)現(xiàn)機(jī)床動(dòng)作快速響應(yīng)，恒轉(zhuǎn)矩，恒功率，I秒鐘正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)停止等各項(xiàng)機(jī)床控制優(yōu)良性能。直流無刷永磁同步電機(jī)屬于控制電機(jī)，它控制方便又高效，適用于需要頻繁控制的各類機(jī)床，比日前普遍采用的編碼器矢量變頻的伺服電機(jī)更勝一籌，省掉和伺服電機(jī)配套的位置傳感器和編碼器，工作性能更可靠，且成本也低很多。
[0040]本實(shí)用新型是機(jī)床主軸電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)技術(shù)的一大突破。
[0041]機(jī)床驅(qū)動(dòng)的發(fā)展已有三步:1，三相異步電機(jī)加多級(jí)齒輪箱調(diào)速是機(jī)床最古老的方案；2，三相異步電機(jī)加矢量變頻控制器控制調(diào)速；3，有位置傳感器和編碼器，加矢量控制器的永磁交流伺服電機(jī)調(diào)速?，F(xiàn)階段，第I步基本上已淘汰，第2步和第3步方案都還在應(yīng)用。第2步方案具有恒力矩性能差，響應(yīng)速度慢，效率低等缺陷。第3步方案是日前的主流方案，它采用位置傳感器和編碼器定位工作，這個(gè)技術(shù)應(yīng)用多年，傳感器和編碼器易發(fā)故障，和本實(shí)用新型相比顯得落后。而一般車床主軸電機(jī)要求有恒轉(zhuǎn)矩，恒功率，速度能快速無級(jí)調(diào)速，快速正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，這些都是無刷永磁同步電機(jī)的強(qiáng)項(xiàng)，由于控制技術(shù)的更新進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)無位置傳感器無編碼器，又能快速精準(zhǔn)調(diào)速，大大減少了故障機(jī)率，又降低了制造成本，和第3步方案的同步電機(jī)功能基本相同，但結(jié)構(gòu)上原理上也更為先進(jìn)了。繞組線圈采用性能更優(yōu)越的集中繞組，它比起交流伺服的分布式繞組銅線更短，散熱更好，用銅量更少，損耗更低，因而效率更高。還有采用內(nèi)置磁鋼的新技術(shù)，生產(chǎn)工藝先進(jìn)，提高磁性能，提高了電機(jī)變速性能，還提高了功率，降低磁性材料成本。
[0042]普通變頻器只能控制異步電機(jī)，給異步電機(jī)變頻調(diào)速開停等。直流無刷同步電機(jī)的控制器和普通的變頻器的控制原理存在區(qū)別，它是采用最新的直流變頻控制技術(shù)，控制器主要由以下四單元組成:輸入及顯示模塊、微處理器模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊和電源整流模塊。電源整流模塊是由橋式整流，電源濾波處理和保護(hù)電路等組成，輸入及顯示模塊是輸入控制信號(hào)到微處理器模塊，檢測(cè)到的電路工作狀況也不斷的反饋給微處理器模塊，微處理器模塊再結(jié)合驅(qū)動(dòng)程序，以及位置檢測(cè)及運(yùn)算，負(fù)載運(yùn)行狀況的比對(duì)計(jì)算，微處理器模塊綜合運(yùn)算分析后，經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)模塊輸出給電機(jī)。
[0043]直流變頻技術(shù)的控制理論和矢量變頻器的控制理論方法存在區(qū)別，它控制理論采用反饋線性化控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制等理論，以及模糊控制和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等控制方法，功率范圍大，可以以恒轉(zhuǎn)矩，恒功率等各種方式工作，啟動(dòng)和停止都能快速響應(yīng)，達(dá)到I秒，控制轉(zhuǎn)速的精度達(dá)到0.02%，這樣就比矢量變頻控制的異步主軸電機(jī)和矢量變頻控制的伺服電機(jī)的性能都要優(yōu)越。
[0044]因此直流無刷高速同步電機(jī)的效率比普通單相的異步電機(jī)提高效率近20%，比三相異步電機(jī)提高效率7 —12%。三相異步電機(jī)如加矢量變頻器控制后效率會(huì)更低，因此永磁同步電機(jī)的高效就更顯著。
[0045]分布式繞組和集中式繞組的線圈都接成Y形接法，電源經(jīng)直流變頻技術(shù)的泵控制器驅(qū)動(dòng)，在定子線圈產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的磁鋼旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)過程中又不斷對(duì)電路線圈的反電動(dòng)勢(shì)的大小和方向檢測(cè)來確定轉(zhuǎn)子位置，經(jīng)數(shù)字處理器的程序運(yùn)算不斷調(diào)整驅(qū)動(dòng)線圈的脈沖電流的頻率、電流方向及大小，使轉(zhuǎn)子按程序旋轉(zhuǎn)，磁鋼轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)始終和線圈電樞的磁場(chǎng)一樣旋轉(zhuǎn)，在外力少于旋轉(zhuǎn)力時(shí)都保持一樣的轉(zhuǎn)速，形成同步電機(jī)。而且這種同步電機(jī)的速度是通過控制器設(shè)定的可控的。
[0046]無刷永磁電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速考慮工作方式是風(fēng)冷，速度在機(jī)床工作的1-3000轉(zhuǎn)/分和一般的異步電機(jī)及伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速一樣，或按需求可以更高。
[0047]通過機(jī)床主程序指令輸?shù)娇刂破鞯南鄳?yīng)輸入端，一般速度由DClOV的模擬量控制，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止的輸入指令端也由機(jī)床主程序輸來的指令控制，這樣機(jī)床就能根據(jù)機(jī)床的控制程序進(jìn)行工作。與現(xiàn)有三相異步電動(dòng)機(jī)為主體的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，調(diào)速則以多級(jí)變速箱的齒輪調(diào)速相比或矢量變頻器對(duì)異步電機(jī)變頻調(diào)速方式相比，控制方法具有穩(wěn)定性好、快速性好、精度高的特點(diǎn)外，具有一系列優(yōu)點(diǎn)，也比采用有位置傳感器編碼器的同步無刷電機(jī)更為可靠，更為先進(jìn)。
[0048]無刷永磁同步電機(jī)的控制器包括有輸入及顯示模塊、微處理器模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊和電源整流模塊等，其中電源整流模塊是將市電經(jīng)整流濾波成直流，為變頻器提供電源。微處理器模塊接受機(jī)床指令信號(hào)，并對(duì)電機(jī)的工況高速實(shí)時(shí)檢測(cè)，經(jīng)及對(duì)各輸入信號(hào)進(jìn)行分析、比較和處理，以輸出各種控制信號(hào)。功率驅(qū)動(dòng)模塊受控于微處理器，用于驅(qū)動(dòng)直流無刷永磁同步電機(jī)工作。
[0049]直流無刷永磁高速同步電機(jī)集中式的定子線圈的結(jié)構(gòu)與普通的三相異步電機(jī)存在區(qū)別，電機(jī)的轉(zhuǎn)子片外緣表面上表貼永磁磁鋼或在轉(zhuǎn)子片內(nèi)嵌永磁磁鋼，由于永磁同步電機(jī)相對(duì)較小，特在轉(zhuǎn)子中間設(shè)立鍵槽，防止同步電機(jī)由于高功率密度造成轉(zhuǎn)子體與軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子用于與轉(zhuǎn)軸套接。值得注意的是，本實(shí)用新型永磁磁鋼采用永磁鐵氧體，也可替換成釹鐵硼磁鋼。定子槽數(shù)為3的倍數(shù)，為了磁鋼的制作和使用方便，磁極數(shù)常取4、6、8極，線包按正弦波分布，集中式繞制線圈，定子用的材料上用冷扎矽鋼片，線圈按高速設(shè)計(jì)。在變頻器的微處理器模塊的輸入端子接入機(jī)床主程序指令，實(shí)現(xiàn)快速變速，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，剎車及快速起動(dòng)等機(jī)床使用時(shí)的各項(xiàng)功能。
[0050]電機(jī)的工作狀態(tài)等由微處理器模塊控制功率驅(qū)動(dòng)模塊，功率驅(qū)動(dòng)模塊推動(dòng)電機(jī)，同時(shí)將電機(jī)的時(shí)間、相位、電壓、電流等信號(hào)反饋至微處理器模塊進(jìn)行處理，再控制功率驅(qū)動(dòng)模塊工作。
[0051]電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軟件形式無論是開環(huán)、閉環(huán)、自適應(yīng)、模糊控制等等技術(shù)只是驅(qū)動(dòng)形式的不同，都是離不開本產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，都是本產(chǎn)品權(quán)利范圍。
[0052]上述實(shí)施例僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并非依此限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，故:凡依本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)、形狀、原理所做的等效變化，均應(yīng)涵蓋于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種適用于機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)的直流無刷永磁同步電機(jī)，包括電機(jī)外殼，在電機(jī)外殼內(nèi)通過軸承架設(shè)有轉(zhuǎn)子軸，轉(zhuǎn)子軸上設(shè)置有轉(zhuǎn)子片，在轉(zhuǎn)子片外部設(shè)置有定子線圈，其特征在于:所述的轉(zhuǎn)子片上設(shè)置有永磁磁鋼，永磁磁鋼內(nèi)置在轉(zhuǎn)子片上或貼在轉(zhuǎn)子片外緣表面上，定子線圈由控制器控制其工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流無刷永磁同步電機(jī)，其特征在于:所述的永磁磁鋼呈“一”字形或者“V”字形的結(jié)構(gòu)均布在轉(zhuǎn)子片上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直流無刷永磁同步電機(jī)，其特征在于:所述的永磁磁鋼有四組、六組或八組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流無刷永磁同步電機(jī)，其特征在于:所述的轉(zhuǎn)子片的兩側(cè)通過鉚釘連接有非磁性不銹鋼夾板。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的直流無刷永磁同步電機(jī)，其特征在于:所述的夾板上開設(shè)有供永磁磁鋼嵌入轉(zhuǎn)子片的通槽，在夾板沿外圓邊均設(shè)有若干個(gè)平衡用的螺紋孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流無刷永磁同步電機(jī)，其特征在于:所述的永磁磁鋼嵌入轉(zhuǎn)子片的通槽后用膠水粘固。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流無刷永磁同步電機(jī)，其特征在于:所述的定子線圈的結(jié)構(gòu)為集中式或分布式。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2或5所述的直流無刷永磁同步電機(jī)，其特征在于:所述的控制器包括輸入及顯示模塊、微處理器模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊和電源整流模塊，其中輸入及顯示模塊先將指令傳送到微處理器模塊上，微處理器模塊再控制功率驅(qū)動(dòng)模塊，最后功率驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)定子線圈工作；所述的電源整流模塊為微處理器模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊及定子線圈供電。
【文檔編號(hào)】H02K1/27GK204231159SQ201420525954
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月12日
【發(fā)明者】金可友 申請(qǐng)人:浙江創(chuàng)美機(jī)電有限公司