專利名稱：低速大轉矩寬調速永磁同步電動機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種永磁同步電動機，特別是一種采用改變定子繞組連接方式進行調速的低速大轉矩寬調速永磁同步電動機。它的調速范圍為0. Irpm— 6000rpm，在低速時額定轉矩不小于300Nm。屬于永磁同步電動機技術領域。
背景技術：
現有機床、軋機、造紙機等恒功率負載在低速段的負載特性為恒轉矩特性，在高速段的負載特性為恒功率特性，即低速時要求驅動系統能夠提供平穩大轉矩，高速時驅動系統能實現恒功率調速，要求的調速范圍很寬。目前，恒功率負載的驅動方式有異步電動機加減速機的間接驅動方式，也有永磁同步電動機直接驅動負載的直接驅動方式。恒功率負載的工作條件比較復雜，間接驅動方式，在選配異步電動機時，不得不選用功率較大的電機。 這使得異步電動機驅動負載時大部分時間工作在輕載狀態，其功率因數和效率很低，加上有減速機的存在使得系統效率更低，且需要對整個減速機構定期潤滑維護，同時存在整個傳遞機構體積大的問題。由于間接驅動方式存在上述種種弊端，直接驅動方式越來越受到人們的重視與青睞。永磁同步電動機直接驅動方式，取消了減速機，使得傳動效率比間接機械方式大大提高。但是由于恒功率負載特性為在低速時所需轉矩大，隨著轉速升高所需轉矩變小，永磁同步電動機需弱磁升速以滿足負載要求。而對永磁同步電動機磁場的調節， 需通過調節定子電流，即用增加定子直軸去磁電流分量來維持高速運行，達到弱磁升速的目的。因永磁同步電動機的磁場主要由永磁體產生，其氣隙長度一般大于同規格感應電動機的氣隙長度，故導致永磁同步電動機直軸電感小，弱磁能力不足，電動機弱磁調速范圍有限。因此，為了滿足調速要求，現有調速永磁同步電動機在設計時，要以負載所需低速時的大轉矩和高速轉速分別作為永磁同步電動機的額定轉矩和額定轉速進行設計，因調速永磁同步電動機實際運行狀態為恒轉矩運行，故會造成電機在高速時轉矩浪費，使得永磁同步電動機體積大，所用材料多，同時導致控制系統容量變大。據專利文獻報導，專利公開號為CN101783536A的“內置式永磁同步電動機自動弱磁方法”，公布了在交軸方向的磁通隔離層中設置磁通短路塊，借助彈簧的自動調節作用， 改變極間漏磁路徑，實現自動弱磁擴速的目的。但利用彈簧調節磁通短路塊的方式是不可靠的，一旦彈簧出問題，磁通短路塊將失效，起不到弱磁效果的。利用加大極間漏磁的方式來擴速是不合理的，這造成了永磁體的浪費。并且此種弱磁方式只能在較小范圍內弱磁調速，沒有從根本上解決寬調速的問題。專利公告號為CN201342490的“一種車床用永磁同步電主軸”，公開了一種永磁同步電動機為內轉子結構，因功率密度小，體積大，定子繞組為普通繞組，故存在調速范圍窄的缺點。同時，此永磁同步電動機與機床主軸為一體結構，永磁同步電動機不是獨立的，存在永磁同步電動機維護更換困難的缺點。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種低速大轉矩寬調速永磁同步電動機，它解決了恒功率負載傳統間接驅動式和現有直接驅動式存在的轉矩浪費，調速范圍窄等問題，它設計合理，結構簡單，具有低速大轉矩、調速范圍寬、效率高、體積小、成本低，節能、安裝和維護方便等優點。本實用新型所采用的技術方案是該低速大轉矩寬調速永磁同步電動機包括機座、組裝在機座上的帶有繞組的定子鐵心、轉子以及編碼器，其技術要點是與中空軸套連接在一起的所述轉子的內周貼附永磁體，且置于所述定子鐵心的外部，所述中空軸套利用左、右軸承和軸承內、外環擋圈組裝在所述機座的軸孔內，通過固定在所述機座的左、右軸承壓蓋壓緊，并進行軸向限位，利用繞組調速裝置控制所述定子鐵心的繞組的連接，完成速度段選擇的有級調速和實現單一速度段內的無級變頻調速。實現所述轉子位置檢測的所述編碼器與所述轉子同軸連接。設置在所述轉子上的通風散熱用的通風孔與固定在所述機座上的左、右風機相連
ο改變所述定子鐵心的繞組連接的所述繞組調速裝置包括由控制單元、繼電器單元、接觸器單元和驅動單元，由具有邏輯管理功能的32位ARM芯片，具有速度調節、轉矩調節、變頻驅動控制功能的矢量運算芯片，通過人機接口和I/O接口組成所述控制單元；由光電隔離開關、三極管和繼電器組成所述繼電器單元；所述控制單元驅動所述繼電器單元控制接觸器單元，執行邏輯驅動控制指令，對所述永磁同步電動機的速度段進行選擇，并使所述繞組每相串聯線圈組數在N、N-U N-2··· 2、1之間的變換，實現永磁同步電動機轉速在η、 ηΧ N/ (N-I)、nXN/ (N-2) "mXN/^. nXN轉速段間切換，完成速度段選擇的有級調速， 其中N為大于0的整數自然數，η為所述繞組每相串聯線圈組數為N時的額定轉速；所述控制單元同時驅動由整流橋、電解電容、電源板和逆變單元組成的實現所述永磁同步電動機在單一速度段內無級變頻調速的所述驅動單元。本實用新型具有的優點及積極效果是由于本實用新型利用繞組調速裝置控制定子鐵心的繞組的連接，完成速度段選擇的有級調速和實現單一速度段內的無級變頻調速， 所以避免了用加大定子直軸電流的方式弱磁升速，減小了永磁同步電動機的功率和體積， 同時降低了變頻器及控制系統的容量，具有低速大轉矩、調速范圍寬、效率高的優點。另外， 它取消了齒輪減速機結構，解決了恒功率負載傳統間接驅動方式和現有直接驅動方式存在的轉矩浪費，調速范圍窄等問題。又因轉子采用與中空軸套連接在一起的內周貼附永磁體的外轉子中空結構，并通過左、右軸承和軸承內、外環擋圈組裝在機座的軸孔內，使轉子與中空軸套構成雙支撐機構，可讓組裝在外轉子中的主軸不承受轉矩，只承受徑向負荷，改善主軸的受力條件，故其設計合理，結構簡單，轉動慣量大，機械特性硬，有利于在負載突變時，主軸轉速穩定。同時，該永磁同步電動機的功率密度大，體積小，還具有節能，節省材料， 降低成本，安裝和維護方便等優點，因此易于推廣應用。
以下結合附圖對本實用新型作進一步描述。
圖1是本實用新型的一種結構示意圖；圖2是圖1的側視圖；圖3是圖1中繞組的一種調速裝置的控制原理框圖；[0014]圖4是圖3中繼電器單元的一種繼電器(Yl)控制電路圖；圖5是圖3中繼電器單元與接觸器單元的控制原理圖；圖6是圖3中繞組連接原理圖；圖7是圖3中驅動單元電路圖。圖中序號說明1編碼器、2轉子、3固定螺釘、4中空軸套、5左軸承壓蓋、6左軸承、 7永磁體、8鍵、9右軸承壓蓋、10右軸承、11定子鐵心、12機座、13軸承外環擋圈、14軸承內環擋圈、15調節螺釘、16通風孔、17過濾網、18左風機、19右風機、20控制單元、21繼電器單元、22接觸器單元、23繞組、M驅動單元、25光電隔離開關J6三極管、27繼電器、觀整流橋、29電解電容、30電源板、31逆變單元。
具體實施方式
根據圖1 7詳細說明本實用新型的具體結構。本實用新型所設計的永磁同步電動機是適用于調速范圍為0. Irpm—6000rpm、在低速時額定轉矩不小于300Nm的低速大轉矩寬調速永磁同步電動機。它包括機座12、組裝在機座12上的帶有繞組23的定子鐵心11、 轉子2以及編碼器1等部件。其中轉子2采用外轉子中空結構，內周貼附永磁體7的轉子 2與中空軸套4連接在一起，置于定子鐵心11的外部，轉子2與中空軸套4通過固定螺釘3 連接為一體。定子鐵心11通過鍵8與機座12連接，并由固定在機座12上的調節螺釘15 將定子鐵心11壓緊。中空軸套4利用左、右軸承6、10和軸承內、外環擋圈14、13組裝在機座12的軸孔內，使轉子2與中空軸套4構成雙支撐機構，通過固定在機座12的左、右軸承壓蓋5、9壓緊，并進行軸向限位。因此，可使組裝在外轉子中的主軸不承受轉矩，只承受徑向負荷，改善主軸的受力條件。編碼器1與轉子2同軸連接，同步旋轉，實現轉子2的位置檢測。設置在轉子2上的通風散熱用的帶有過濾網17的通風孔16與固定在機座12上的左風機18和右風機19相連通，同時向電動機內鼓風，鼓入的風從帶有過濾網17的通風孔 16排出。由于可以充分利用設置在轉子2上的設計獨特的通風孔16的通風散熱作用，所以有效地降低了電動機的溫升，從而提高其運行性能。該低速大轉矩寬調速永磁同步電動機所采用的調速方式為利用繞組調速裝置控制定子鐵心11的繞組23的連接，完成速度段選擇的有級調速和實現單一速度段內的無級變頻調速。該交流永磁同步電動機繞組調速裝置包括控制單元20、繼電器單元21、接觸器單元22和驅動單元24。其中控制單元20由具有邏輯管理功能的32位ARM (Advanced RISC Machines)芯片和具有速度調節、轉矩調節、變頻驅動控制功能的矢量運算芯片等，通過人機接口和I/O接口組成。執行邏輯驅動控制指令的繼電器單元21由光電隔離開關25、三極管沈和繼電器27等組成。控制單元20驅動繼電器單元21控制接觸器單元22，對繞組23的速度段進行選擇，并使繞組23每相串聯線圈組數在N、N-I、N-2··· 2、1之間的變換，實現永磁同步電動機的轉速在η、ηX N/ (N-I)， nXN/ (N-2) "mXNA^XN轉速段間切換，完成速度段選擇的有級調速。控制單元20同時驅動由整流橋28、電解電容29、電源板30和逆變單元31等組成的驅動單元，以實現永磁同步電動機在單一速度段內的無級變頻調速。控制單元20在發出選擇速度段指令選定單一速度段時，通過矢量運算芯片發出驅動控制指令給驅動單元M的電源板30，驅動單元對中的整流橋觀把三相交流電整流成直流電，電解電容四起到直流濾波的作用，逆變單元31根據電源板30接收到的矢量運算芯片指令，把直流電逆變為交流電驅動永磁同步電動機運轉，實現單一速度段內無級調速。繼電器單元21由Y1、Y2、TO…YN等N個繼電器控制電路組成，其中一個繼電器(如 Yl)控制電路由電阻R1、R2、R3、光電隔離開關25、三極管沈和繼電器27 (Yl)等組成。其余繼電器控制電路與Yl控制電路相同。接觸器單元22由ΚΜ1、ΚΜ2、ΚΜ3···ΚΜΝ等N個接觸器組成。本實施例中的N為大于0的整數自然數，η為所述繞組23每相串聯線圈組數為N 時的額定轉速。一般情況下N不大于16，N大于16的實際應用很少。當上述繞組23每相串聯線圈組數在Ν、Ν-1、Ν_2···2、1之間變換，每相串聯線圈組數為1時，控制單元20通過I/O接口發出低電平信號給繼電器單元21，繼電器單元21中的光電隔離開關25導通，驅動三極管沈導通，繼電器27 (Yl)閉合，其余繼電器Υ2，^？… YN全部斷開，接觸器KMl閉合，其余接觸器ΚΜ2，ΚΜ3···ΚΜΝ全部斷開，實現每相串聯組數為 1的繞組23連接，即三相繞組中只有繞組U1、V1和Wl中有電流，其余繞組U2、U3…UN，V2、 V3…VN和W2、W3…WN全部斷開，此時永磁同步電動機額定運行轉速為ηXN。以此類推，實現每相串聯組數為2、…Ν-2、Ν-1、Ν的繞組23連接。這樣就實現了永磁同步電動機轉速在 ηΧΝ/2,ηΧΝ/ (Ν-2)，ηΧ N/ (N-I)…η轉速段間切換，實現所選擇速度段的有級調速。
權利要求1.一種低速大轉矩寬調速永磁同步電動機，它包括機座、組裝在機座上的帶有繞組的定子鐵心、轉子以及編碼器，其特征在于與中空軸套連接在一起的所述轉子的內周貼附永磁體，且置于所述定子鐵心的外部，所述中空軸套利用左、右軸承和軸承內、外環擋圈組裝在所述機座的軸孔內，并通過固定在所述機座的左、右軸承壓蓋壓緊，進行軸向限位，利用繞組調速裝置控制所述定子鐵心的繞組的連接，完成速度段選擇的有級調速和實現單一速度段內的無級變頻調速。
2.根據權利要求1所述的低速大轉矩寬調速永磁同步電動機，其特征在于實現所述轉子位置檢測的所述編碼器與所述轉子同軸連接。
3.根據權利要求1所述的低速大轉矩寬調速永磁同步電動機，其特征在于設置在所述轉子上的通風散熱用的通風孔與固定在所述機座上的左、右風機相連通。
4.根據權利要求1所述的低速大轉矩寬調速永磁同步電動機，其特征在于控制所述定子鐵心的繞組連接的所述繞組調速裝置包括控制單元、繼電器單元、接觸器單元和驅動單元；并由具有邏輯管理功能的32位ARM芯片，具有速度調節、轉矩調節、變頻驅動控制功能的矢量運算芯片，通過人機接口和I/O接口組成所述控制單元；由光電隔離開關、三極管和繼電器組成所述繼電器單元；所述控制單元驅動所述繼電器單元控制接觸器單元，執行邏輯驅動控制指令，對永磁同步電動機的速度段進行選擇，并使所述繞組每相串聯線圈組數在N、N-I、N-2··· 2、1之間的變換，實現永磁同步電動機轉速在η、ηX N/ (Ν_1)、ηΧΝ/ (N-2) -riXNA.ηΧΝ轉速段間切換，完成速度段選擇的有級調速，其中N為大于0的整數自然數，η為所述繞組每相串聯線圈組數為N時的額定轉速；所述控制單元同時驅動由整流橋、電解電容、電源板和逆變單元組成的實現永磁同步電動機在單一速度段內無級變頻調速的所述驅動單元。
專利摘要一種低速大轉矩寬調速永磁同步電動機，解決了恒功率負載傳統間接驅動方式和現有直接驅動方式存在的轉矩浪費，調速范圍窄等問題，包括機座、組裝在機座上的帶有繞組的定子鐵心、轉子以及編碼器，其技術要點是與中空軸套連接在一起的轉子的內周貼附永體，并置于定子鐵心的外部，中空軸套利用左、右軸承和軸承內、外環擋圈組裝在機座的軸孔內，并通過固定在機座的左、右軸承壓蓋壓緊，進行軸向限位，利用繞組調速裝置控制定子鐵心的繞組的連接，完成速度段選擇的有級調速和實現單一速度段內的無級變頻調速。它設計合理，結構簡單，具有低速大轉矩、調速范圍寬、效率高、體積小、成本低，節能，安裝和維護方便等優點。
文檔編號H02K11/00GK201956859SQ20112007573
公開日2011年8月31日 申請日期2011年3月22日 優先權日2011年3月22日
發明者徐廣人 申請人:徐廣人