CN1967980A

CN1967980A - 段间移相不对称六相永磁直线伺服电机

Info

Publication number: CN1967980A
Application number: CN 200610134364
Authority: CN
Inventors: 夏加宽; 王成元; 黄伟; 周美文
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2007-05-23

Abstract

一种段间移相不对称六相永磁直线伺服电机，属于电机技术领域。其结构包括两个单元电机，相互串联或者并联连接，两单元电机初级磁路互相独立，段间间隔有非导磁材料，两个单元电机对应绕组或者对应永磁体次级轴线间移相间隔2kπ±90°，k为整数，两个单元电机绕组采用不对称六相绕组结构，两单元电机初级共同安装在移动平台上，且置于永磁体次级上方，形成一个整体电机。本发明的有益效果：抑制永磁同步直线电机绕组谐波影响；能够显著地抑制电机磁阻端部效应所引起的谐波推力波动；降低了系统功率驱动单元每相的驱动功率，特别是对大功率伺服驱动控制器设计有积极意义，有利于提高伺服控制器的运行稳定性和可靠性。

Description

段间移相不对称六相永磁直线伺服电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，特别是涉及一种段间移相不对称六相永磁直线伺服电机。

背景技术

现有的机床用永磁同步直线电机采用分数槽调制等措施，虽然对削弱直线电机的端部效应及齿槽效应推力波动具有显著效果，但还不能完全消除电机的端部效应所产生的推力波动的影响。尤其是对于大推力数控机床直线进给系统，电机体积较大，纵向长度较长，而且许多工作台采用多电机并行驱动，如图1所示，现有的电机技术措施无法更好地消除其端部效应对推力波动的影响，不能够满足高档数控机床的高精度要求，使得工作效果差、产品精度低。

发明内容

为了克服上述存在的问题，本发明提供一种段间移相不对称六相永磁直线伺服电机。它是在高精度大推力永磁直线电机设计中，通过段间移相，使得两个单元电机的磁阻推力波动反相抵消，以进一步减小永磁同步直线电机(PMLSM)的端部效应引起的推力波动。

本发明的技术方案是：包括两个单元电机，相互串联或者并联连接，两单元电机初级磁路互相独立，段间间隔有非导磁材料，两个单元电机对应绕组或者对应永磁体次级轴线间移相间隔2kπ±90°，k为整数，两单元电机初级共同安装在移动平台上，且置于永磁体次级上方，形成一个整体电机。

所述的两个单元电机绕组采用不对称六相绕组结构，即两个单元电机三相绕组采用双星(双Y)结构，对应各相绕组轴线之间的相位差各差30°电角度。

当各单元电机串联连接时，各个电机初级共同置于一个永磁体次级上方；当各单元电机并联连接时，各个电机初级分别置于各自的永磁体次级上方。

本发明中单元电机包括初级铁心、初级绕组、定子轭、永磁体、直线导轨、机床工作台，若干块永磁体平行放置于在定子轭上，对应永磁体上方置有电机初级，初级绕组嵌入在初级铁心的槽中，初级铁心固定在机床工作台的下面，机床工作台通过直线导轨与定子轭固定连接；初级铁心为平行齿结构，初级绕组为单齿集中成型线圈，即单槽跨距，单相集中相带形式。

所述的电机初级绕组的所有线圈分成了对称的三个区间，每个区间属于一相绕组，即每单元电机所对应的主磁极数与每相所具有线圈数的关系为：主磁极数N_p＝2mN_i±1，其中m为电机绕组相数，N_i为电机每相绕组线圈数；电机初级对应线圈相邻绕组轴线之间移相间隔为2π±α电角度，其中α为等效槽距角。

单元电机初级铁心的齿宽与齿距的比值

的范围为

槽高h与槽宽b的比值范围为2.5～3.8；总线圈数N_c＝mN_i；初级铁心槽数Q＝2N_c＝2mN_i，槽距增量电角度，等效槽距角电角度，槽距τ_y＝180°±Δτ_y电角度；其中m为电机绕组相数，N_i为电机每相绕组线圈数。

本发明的有益效果：

(1)从抑制永磁同步直线电机绕组谐波磁动势的角度看：根据电机绕组基本理论，本发明的六相双Y移相30°绕组通入上述六相电流，其基波电流产生的合成磁动势中只存在11、13、23、25、35、37等次谐波，和单元电机三相60°相带绕组相比，消除了5，7，17，19，29，31等次谐波。通常5次和7次谐波是三相绕组谐波中较强的两个分量，对电机推力波动影响较大。因此，六相双Y移30°绕组消除了这两个分量，具有重要意义。

(2)从抑制永磁同步直线电机端部效应谐波推力波动的角度看：90°段间移相不对称高精度六相永磁直线伺服电机的发明能够显著地抑制电机磁阻端部效应所引起的谐波推力波动。

(3)从提高进给伺服系统性能的角度看：本发明采用了六相电机结构，对伺服驱动器而言，降低了系统功率驱动单元每相的驱动功率，特别是对大功率伺服驱动控制器设计有积极意义，有利于提高伺服控制器的运行稳定性和可靠性。

附图说明

图1是现有的多电机并行驱动结构示意图；

图2是本发明中电机端部效应推力波动抵偿示意图；

图3是本发明两单元电机串联电磁结构分析示意图；其中a为两单元电机局部结构示意图，b为I单元电机绕组磁动势向量图，c为II单元绕组磁动势向量图，d为两个单元电机绕组合成矢量图；

图4是本发明中单元电机结构示意图；

图5是实施例2两单元电机并联安装电磁结构分析示意图；

图6是实施例3结构示意图；

图中1.动子I，2.移动平台，3.定子I，4.动子II，5.定子II，6.二次谐波端部效应推力波动波形，7.电机初级，8.电机次级，9.非导磁材料，10.电机绕组，11.主磁极轴线，A_I、B_I、C_I为电机单元I的三相相绕组磁动势矢量，A_II、B_II、C_II为电机单元II的三相绕组磁动势矢量，1^#～9^#为线圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

实施例1：如图3(a)所示，两单元电机采用12槽13极直线电机，串联安装，两单元电机初级7磁路互相独立，段间间隔有非导磁材料9，两个单元电机对应绕组轴线间移相间隔2kπ-90°，此时k＝7，两个单元电机绕组10采用不对称六相绕组结构，即：两个单元电机三相绕组采用双星结构，对应各相绕组轴线之间的相位差各差30°电角度；两单元电机初级7共同安装在移动平台2上，且置于永磁体次级上方，形成一个整体电机。

所采用的举元电机包括初级铁心、初级绕组、定子轭、永磁体、直线导轨、机床工作台，若干块永磁体平行放置于定子轭上，对应永磁体上方置有电机初级7，初级绕组10嵌入在初级铁心的槽中，初级铁心固定在机床工作台的下面，机床工作台通过直线导轨与定了轭固定连接；初级铁心为平行齿结构，初级绕组为单齿集中成型线圈，即单槽跨距，单相集中相带形式。

本例的单元电机参数：初级铁心的齿宽a＝7mm，槽宽b＝8mm，槽高h＝25mm，电机每相绕组线圈数N_i＝2，电机绕组相数m＝3，单元电机总线圈数N_c＝mN_i＝3×2＝6；初级铁心槽数Q＝2N_c＝2mN_i＝12，槽距增量电角度，等效槽距角电角度，槽距τ_y＝180°±Δτ_y＝180°+15°电角度；电机初级绕组的所有线圈分成了对称的三个区间，每个区间属于一相绕组，即每相所对应的极对数与每相所具有线圈数的关系：主磁极数N_p＝2mN_i±1＝12±1，本例中取13；电机初级对应线圈相邻绕组轴线之间移相间隔为2π±α＝360°+30°电角度。

参看图3a，定义I单元电机1#线圈下对应的N极轴线为主磁场轴线，则1#线圈轴线与主磁极轴线重合。根据图示绕组结构形式和标号方式，可得到如图3所示的I单元电机绕组磁动势向量图，如图3b所示。以I单元为基准，II单元移相90°电角度，可得II单元绕组磁动势向量图，如图3c所示。从单元电机矢量图可以看出，I单元电机和lI单元电机绕组三相旋转磁场具有相同的旋转方向，A_I与A_II绕组轴线相差90°电角度，将两个单元电机绕组合成矢量图归并到同一个图中，如图3d所示。从图中可以看出B_II与A_I，C_II和B_I，A_II和C_I相位差各差30°。

直接对两个单元电机中的六个相绕组实行六相供电方式运行。当采用相应的六相伺服驱动器供电时，便是典型的六相双Y移相30°(不对称)绕组。采用电流闭环正弦波脉宽调制控制方式，保证

与之间分别相差30°电角度。各电流之间的关系如下：

由于两个单元电机绕组分别由两个相差30°的三相对称电流供电，所以电机的基波绕组因数与单元电机基波绕组因数相同。

实施例2：本例所采用的单元电机结构与实施例1单元电机结构相同，单元电机总线圈数仍然为6，只是电机安装方式不同，如图5所示，两单元电机并联安装。两单元电机次级永磁磁路互相独立，对应移相90°电角度并行安装。两单元电机初级共同安装在一个动子平台上，且两个单元电机对应绕组轴线重合，分别置于各自对应的永磁体次级上方。

经上述设计、安装后，两个单元电机绕组仍可形成与例1完全相同的不对称六相绕组结构，即：两个单元电机三相绕组采用双星结构，对应各相绕组轴线之间的相位差各差30°电角度。

本例的供电方式和电流控制方式与实施例1相同，直接对两个单元电机中的六个相绕组实行六相供电方式运行；采用相应的六相伺服驱动器供电，即典型的六相双Y移相30°(不对称)绕组。采用电流闭环正弦波脉宽调制控制方式，两个单元电机绕组分别由两个相差30°的三相对称电流供电。即保证

与

之间分别相差30°电角度。各电流之间的关系如下：

实施例3：本例所采用的单元电机结构与实施例1电机结构型式基本相同，只是电机绕组线圈数不同，本例采用的是每相绕组线圈数N_i＝3的单元直线电机，其结构示意图如图6所示。本例单元电机具体参数如下：初级铁心的齿宽a＝7mm，槽宽b＝8mm，槽高h＝25mm，电机每相绕组线圈数N_i＝3，电机绕组相数m＝3，单元电机总线圈数N_c＝mN_i＝3×3＝9；初级铁心槽数Q＝2N_c＝2mN_i＝18，电角度，等效槽距角

电角度，槽距τ_y＝180°±Δτ_y＝180°±10°；电机初级绕组的所有线圈分成了对称的三个区间，每个区间属于一相绕组，即每单元所对应的主磁极数与每相所具有线圈数的关系：主磁极数N_p＝2mN_i±2＝18±1，本例中取19。

如图6(a)所示，两单元电机串联安装，两单元电机初级磁路互相独立，段间间隔有非导磁材料，两个单元电机对应永磁体次级轴线间移相间隔2kπ+90°，此时k＝10，两个单元电机绕组采用不对称六相绕组结构，即：两个单元电机三相绕组采用双星结构，对应各相绕组轴线之间的相位差各差30°电角度；两单元电机初级共同安装在动子平台卜，且胃于永磁体次级上方，形成一个整体电机。

图6(b)为本例单元电机绕组磁动势向量图，可见，经如图6(a)所示设计、安装后，两个单元电机绕组仍可形成与例1完全相同的不对称六相绕组结构，即：两个单元电机三相绕组采用双星结构，对应各相绕组轴线之间的相位差各差30°电角度。

本例的供电方式仍然和电流控制方式与实施例1相同，直接对两个单元电机中的六个相绕组实行六相供电方式运行；采用相应的六相伺服驱动器供电，即典型的六相双Y移相30°(不对称)绕组。

Claims

1、一种段间移相不对称六相永磁直线伺服电机，其特征在于包括两个单元电机，相互串联或者并联连接，两单元电机初级磁路互相独立，段间间隔有非导磁材料，两个单元电机对应绕组或者对应永磁体次级轴线间移相间隔2kπ±90°，k为整数，两单元电机初级共同安装在移动平台上，且置于永磁体次级上方，形成一个整体电机。

2、根据权利要求1所述的段间移相不对称六相永磁直线伺服电机，其特征在于所述的两个单元电机绕组采用不对称六相绕组结构，即两个单元电机三相绕组采用双星结构，对应各相绕组轴线之间的相位差各差30°电角度。

3、根据权利要求1所述的段间移相不对称六相永磁直线伺服电机，其特征在于所述的各单元电机串联连接时，各个电机初级共同置于一个永磁体次级上方；各单元电机并联连接时，各个电机初级分别置于各自的永磁体次级上方。

4、根据权利要求1～3任一项所述的段间移相不对称六相永磁直线伺服电机，其特征在于所述的单元电机包括初级铁心、初级绕组、定子轭、永磁体、直线导轨、机床工作台，若干块永磁体平行放置于在定子轭上，对应永磁体上方置有电机初级，初级绕组嵌入在初级铁心的槽中，初级铁心固定在机床工作台的下面，机床工作台通过直线导轨与定子轭固定连接；初级铁心为平行齿结构，初级绕组为单齿集中成型线圈，即单槽跨距，单相集中相带形式。

5、根据权利要求4所述的段间移相不对称六相永磁直线伺服电机，其特征在于所述的电机初级绕组的所有线圈分成了对称的三个区间，每个区间属于一相绕组，即每单元电机所对应的主磁极数与每相所具有线圈数的关系为：主磁极数N_p＝2mN_i±1，其中m为电机绕组相数，N_i为电机每相绕组线圈数；电机初级对应线圈相邻绕组轴线之间移相间隔为2π±α电角度，其中α为等效槽距角。

6、根据权利要求4所述的段间移相不对称六相永磁直线伺服电机，其特征在于所述的单元电机初级铁心的齿宽与齿距的比值

的范围为

槽高h与槽宽b的比值

范围为2.5～3.8；总线圈数N_c＝mN_i；初级铁心槽数Q＝2N_c＝2mN_i，槽距增量

电角度，等效槽距角电角度，槽距τ_y＝180°±Δτ_y电角度；其中m为电机绕组相数，N_i为电机每相绕组线圈数。