用于精密儀器與設備的雙余度六相力矩電機及其控制方法
【專利摘要】用于精密儀器與設備的雙余度六相力矩電機及其控制方法，電機為交流永磁同步伺服電機，由定子與轉子裝配而成，特征是所述定子與轉子采用雙定子與單轉子結構，其中的雙定子結構是，雙定子采用了拼接式結構，設有兩個獨立的定子繞組；該兩個獨立的定子繞組共用一套永磁體；電機定子外殼上設計有冷卻槽，兩側有密封槽，通過冷卻系統可以降低電機的運行溫度，提高電機的輸出功率；該兩個獨立的定子繞組由控制系統控制，實現其中一個定子繞組的單獨運轉、兩個定子繞組的并聯運轉。本發明采用雙冗余控制可以實現，某套控制系統出現故障時，另一套系統仍能夠正常工作，提高系統的可靠性。本發明也可以應用到其它高精密儀器與設備上。
【專利說明】用于精密儀器與設備的雙余度六相力矩電機及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種多相冗余電動機，具體涉及一種用于大型超精密儀器與設備伺服系統的雙余度六相力矩電動機。本發明還涉及這種雙余度六相力矩電動機的控制方法。
[0002]本發明為來源于中國科學院天文項目(C-113)、國家基金項目(項目編號:11273039)、江蘇省產學研項目(項目編號:BY2011167)。
【背景技術】
[0003]與傳統三相電機相比，六相電機具有低電壓輸出大功率、轉矩波動小等優點，廣泛應用于天文觀測儀器、大型數控銑床、船艦推進器等領域。直接驅動技術在低速大扭矩的應用場合可以省去減速裝置，使得設計具有結構緊湊，可靠性高，免維護，加速性能優異，無振蕩等優點，廣泛應用于各種精密裝備中。大型天文望遠鏡的跟蹤系統對直接驅動力矩電機轉矩的要求高達100000Nm以上，且轉矩脈動小于1%，同時要求具有超低的跟蹤速度和較高的指向速度，調速范圍大，跟蹤精度極高。減少電機力矩脈動的主要方式有增加力矩電機的極對數或者增加電機的相數來消除低頻諧波力矩波動的影響。多相直接驅動力矩電機因其轉矩脈動小、可靠性高、可以很好地滿足大功率電氣傳動系統的要求，在超精密軍事儀器、機床、大型天文望遠鏡等對可靠性要求極高以及大功率的應用場合有著廣泛的應用前景。目前的多相電機主要針對高速的伺服電機，但對于低速直接驅動多余度多相電機未見相關報道。
[0004]對于大容量的力矩電機來講，因為尺寸太大很難用整體定子結構，為了節約成本，可以采用拼裝式定子結構，國內外也有相關小型電機的電機定子拼裝設計及制造工藝，大都采用矽鋼片沖壓后，根據電機設計要求，在矽鋼片定子磁極上有鉚釘孔，將多片矽鋼片通過鉚釘與孔配合來鉚接矽鋼片，或者將整片定子沖片簡單分成等分的幾組沖片，然后將幾組沖片用激光焊接的方式連接成環形的定子，上述設計方法和工藝對于高速運行的電機來講，發熱問題并不明顯；但是對于運行于超低速的直接驅動電機來講，產生的熱量會讓電機定子迅速升溫，甚至無法工作。
【發明內容】
[0005]本申請將提供一種用于精密儀器與設備的雙余度六相力矩電機及其控制方法，其中的雙余度六相力矩電機，特別是一種9槽8極的系列化多相冗余力矩電機。該系列電機采用六相雙Y型的電機設計，力矩波動小，調速范圍廣，低速運轉時無爬行現象，采用冗余技術，系統可靠性高。可以實現大型超精密儀器數控機床、天文望遠鏡、大型轉臺與設備伺服系統的直接驅動。本發明能夠克服現有技術缺少低速直接驅動多余度多相電機的不足，針對現有技術的上述難題，本發明給出一種解決方案。同時，本發明能夠解決現有技術尚未解決的、超低速運行的直接驅動電機產生的熱量會讓電機定子迅速升溫，甚至無法工作的技術難題。本發明提供了一種能克服上述工藝缺陷，所需工藝簡單，易于加工制造的拼裝設電機定子結構及工藝。本發明還涉及這種雙余度六相力矩電動機的控制方法。
[0006]完成上述發明任務的技術方案是:一種用于精密儀器與設備的雙余度六相力矩電機，該電機為交流永磁同步伺服電機，由定子與轉子裝配而成，其特征在于:采用六相雙Y型的六相電機設計，定子與轉子采用雙定子與單轉子無框式結構；電機轉子永磁體采用單元式結構；雙定子采用拼接式結構，并采用兩套獨立的定子繞組；該兩套獨立的定子繞組共用一套轉子；該兩個獨立的定子繞組由控制系統控制，實現其中一個定子繞組的單獨運轉，或兩個定子繞組的并聯運轉。
[0007]本發明的上述方案的進一步改進，有以下優化方案:
1、該電機定子外殼上設有冷卻槽、兩側設有密封槽，并設有冷卻系統(也稱為冷卻機構)。通過冷卻系統可以降低電機的運行溫度，提高電機的輸出功率。
[0008]2、電機轉子永磁體的單元式結構采用減小齒槽效應的優化設計，采用轉子斜極、定子矽鋼片增加槽口的方式來抑制齒槽轉矩脈動。
[0009]3.采用拼接式設計，每個獨立繞組都由六個定子繞組單元通過定位凸臺和凹槽定位裝配為一個完整的定子。
[0010]更具體地說，本發明所述的雙余度六相力矩電機主要由2個獨立的六相定子繞組A3UB32, I個電機轉子9，環氧樹脂4，冷卻機構(密封橡膠圈A51、B52，冷卻接頭A61、B62，冷卻外殼7 )，定子外殼8，引出的電機電纜A11、B12以及過熱檢測線纜A21、B22組成。雙余度六相力矩電機采用9槽/8極結構，本申請中以90槽/80極的結構作為說明，但其受保護的權利不僅限于此，任何以9槽/8極結構組成的力矩電機都在本專利設計范圍之內。為滿足大功率、高可靠性、高容錯性、轉矩脈動小的運行要求，采用六相雙Y型設計。
[0011]所謂的冷卻機構主要有密封橡膠圈451、852，冷卻接頭八61、862，冷卻外殼7以及電機定子外殼8組成。通過冷卻系統可以降低電機的運行溫度，提高電機的輸出功率。電機定子外殼8上設計有冷卻槽141-147，兩側有密封槽131、132，里面鑲入O型橡膠密封圈A51、B52,可以防止冷卻液對外泄露,外側配合有冷卻外殼7,可以通過螺栓與電機定子外殼8和設備基座進行連接固定。冷卻外殼7上加工有兩個冷卻接頭螺紋孔151、152，入口冷卻接頭B62與出口冷卻接頭A61分別與冷卻接頭螺紋孔152、151通過管螺紋進行連接，需要冷卻時，冷卻液輸入管與入口冷卻接頭B62相連，輸出管則與出口冷卻接頭A61相連，然后根據設備和電機功率選擇匹配的冷卻系統和冷卻速度。
[0012]電機的定子外殼8上設計有定子定位槽111、112、113、114、115、116，以定子繞組A31為例，定子繞組A31由繞組單元311、312、313、314、315、316通過矽鋼片上的定位凹槽17和凸臺21配合后壓入對應的定子定位槽111、112、113、114、115、116,并通過定子定位臺12上臺階定位面定位，同樣對于定子繞組B32對應的六個繞組單元通過矽鋼片19上設計的定位凹槽17和凸臺21配合后壓入定子定位槽并通過定子定位臺12下臺階定位面定位。裝配好定子繞組A31、B32后，用環氧樹脂4填充，既可以降低電機噪聲，又可以防止定子31、32竄動。定子定位槽111、112、113、114、115、116防止了定子繞組A31、B32的轉動，同時將其嚴格同相定位。另外，定子外殼8上還設計有走線槽101，可以將兩個定子繞組A31、B32的電機線纜A11、B12安裝在同一側。電機轉子9上通過自動設備均勻的粘貼有80個磁極，40個N極40個S極，N、S極相鄰交替均布排列。兩個定子繞組A31、B32共用一套電機轉子9。
[0013]雙余度六相力矩電機設計有2個獨立的六相定子繞組A31，B22，采用9槽/8極的設計結構結構，對于90槽/80極的雙余度六相力矩電機，綜合考慮制造工藝與成本，采用拼接式設計，每個獨立繞組都由六個定子繞組單元通過定位凸臺和凹槽定位裝配為一個完整的定子。以定子繞組A31為例，定子I繞組單元311、312、313、314、315、316通過矽鋼片19上設計的定位凹槽17和凸臺21配合后壓入定子定位槽111、112、113上側。每個繞組單元由100片0.5_矽鋼片經級進模一次沖壓而成，每片硅鋼片19上均布15個齒槽，每個齒槽采用了用于減小齒槽效應結構22，即在每個齒的頂端設計有兩個小的矩形槽口(見圖3)。在每個齒槽中線上設計有三個鉚扣161、162、163通過級進模將100片0.5mm矽鋼片擠壓在一起，由鉚扣161、162、163將其鉚接在一起，因為每片矽鋼片是連續的，避免了鉚釘或者焊接導致超低速運行時電機的溫升發熱問題。為了防止短路，在矽鋼片19與線圈18直接通過絕緣隔離罩23進行絕緣。
[0014]對于90槽/80極的雙余度六相力矩電機，電機轉子9由40個N極28和40個S極27交替均布的分組在轉子軸26上。每個磁極的永磁體采用單元式結構，以N極28為例，實例中的雙余度六相力矩電機的每個磁極由3個等長同極性的永磁體251、252、253組成，并進行了優化設計，采用斜極設計以減小齒槽效應(見圖4)，該機構不限于此，根據9槽8極的原則，可以設計不同規格的雙余度六相冗余力矩電機，根據力矩要求可以由不同數量的的永磁體單元組成一極，從而形成系列化的電機，都在本專利保護范圍之內。3個等長同極性的永磁由自動涂膠裝配機構按N、S極交替進行的方式均勻的裝配在電機轉子軸26上。電機轉子軸26兩端設計了轉子軸安裝螺紋孔241、242，用戶可以根據設備技術要求選擇任何一端與設備旋轉機構連接。
[0015]完成本申請第二個發明任務的技術方案是，上述用于精密儀器與設備的雙余度六相力矩電機的控制方法，其特征在于，該雙余度六相力矩電動機采用雙余度系統，熱備份控制方式；電機控制系統采用雙DSP雙余度電機控制系統，其中的兩個DSP控制器采用冷備份的工作方式；雙余度電機中每個電機采用六相雙Y移30°繞組；設置兩組驅動器的相位角相差30°，從而實現了雙余度六相雙Y移30°力矩電機的應用。
[0016]重復地說:本雙余度六相力矩電機采用余度技術提高產品和系統可靠性，為了提高系統的利用率，本電機采用雙余度系統，熱備份控制方式。即在正常情況下兩余度同時工作，當某一余度出現故障時，系統切除發生故障的余度，啟用單余度方式。
[0017]電機控制系統采用雙DSP雙余度電機控制系統，可以分解成兩個獨立的電機控制系統，為了保證兩個DSP時序的一致性，雙DSP采用冷備份的工作方式。雙余度電機中每個電機采用六相雙Y移30°繞組，但由于目前的供電電源都是三相電源，電機采用兩組驅動器并聯給電機供電，設置兩組驅動器的相位角相差30°，從而實現了雙余度六相雙Y移30°力矩電機的應用參見圖5。
[0018]更具體的講，DSP控制器421、422組成了六相電機的雙余度控制系統，為了保證兩個DSP控制器421、422時序的一致性，采用冷備份的工作方式。雙余度電機中每個電機采用六相雙Y移30°繞組，但由于目前的供電電源都是三相電源，電機I (定子繞組31)采用兩組驅動器431、432并聯給電機I供電，兩組驅動器431、432相位角相差30°，實現了六相雙Y移30°力矩電機的控制。同樣，電機2 (定子繞組B32)采用兩組驅動器433、434并聯給電機2供電，兩組驅動器433、434相位角相差30°，實現了六相雙Y移30°力矩的控制。見圖5。為了提高控制系統的利用率，雙余度六相力矩電機采用熱備份控制方式。即在正常情況下兩余度同時工作，當某一余度出現故障時，系統切除發生故障的余度，啟用單余度方式。當系統正常工作時，DSP控制器421控制著電機I的驅動器431、432和電機2的驅動器433、434對雙余度六相力矩電機進行控制，當電機I或者驅動器431、432任何一個驅動器出現故障時則切斷對電機I的控制，同樣對電機2也是進行同樣的控制操作；如果電機I的驅動器431、432其中一個出現故障和電機2的驅動器433、434其中一個也出現故障，DSP控制器421控制電機I和電機2工作在三相模式下，進而可以做進一步的冗余控制，如果DSP控制器421出現故障，則立刻啟動冷備份DSP控制器422，進行上述控制。
[0019]雙余度冗余力矩電機采用多矢量合成的矢量控制方法。通過磁場定向控制技術完成對多相冗余力矩電機的解耦控制，該方法將自然坐標系下的方程轉換到靜止坐標系下三個兩維的相互垂直的子空間中，再轉換到旋轉坐標系中，實現電動機的解耦控制。所采用的雙Y三相空間矢量控制方法控制六相冗余力矩電機的向量圖如圖6所示。
[0020]/?為旋轉的轉子坐標系。馬為i/軸與J相繞組中線的夾角，由圖6可知，可以將六相坐標系變換，分成兩個旋轉矩陣: 式中，/代表ΙΛ U Ψ
自然坐標系到旋轉坐標系下的變換矩陣為:
【權利要求】
1.一種用于精密儀器與設備的雙余度六相力矩電機，該電機為交流永磁同步伺服電機，由定子與轉子裝配而成，其特征在于:采用六相雙Y型的六相電機設計，定子與轉子采用雙定子與單轉子無框式結構；電機轉子永磁體采用單元式結構；雙定子采用拼接式結構，并采用兩套獨立的定子繞組；該兩套獨立的定子繞組共用一套轉子；該兩個獨立的定子繞組由控制系統控制，實現其中一個定子繞組的單獨運轉，或兩個定子繞組的并聯運轉。
2.根據權利要求1所述的用于精密儀器與設備的雙余度六相力矩電機，其特征在于，所述電機定子的外殼上設有冷卻槽、兩側設有密封槽，并設有冷卻系統。
3.根據權利要求1所述的用于精密儀器與設備的雙余度六相力矩電機，其特征在于，所述電機轉子永磁體的單元式采用轉子斜極、定子矽鋼片增加矩形槽口的設計方式來抑制齒槽轉矩脈動。
4.根據權利要求1所述的用于精密儀器與設備的雙余度六相力矩電機，其特征在于，所述的雙余度六相力矩電機的具體結構是:由2個獨立的六相定子繞組，I個電機轉子，環氧樹脂，冷卻系統，定子外殼，引出的電機電纜以及過熱檢測線纜組成；該雙余度六相力矩電機采用9槽/8極結構，采用六相雙Y型設計。
5.根據權利要求2所述的用于精密儀器與設備的雙余度六相力矩電機，其特征在于，所述的冷卻系統由密封橡膠圈，冷卻接頭，冷卻外殼以及電機定子外殼組成:其中， 電機定子外殼上設有冷卻槽，兩側設有密封槽，密封槽里面鑲入O型橡膠密封圈，外側配合有冷卻外殼，通過螺栓與電機定子外殼和設備基座進行連接固定；冷卻外殼上加工有兩個冷卻接頭螺紋孔，入口冷卻接頭與出口冷卻接頭分別與冷卻接頭螺紋孔通過管螺紋進行連接，需要冷卻時，冷卻液輸入管與入口冷卻接頭相連；輸出管則與出口冷卻接頭相連。
6.根據權利要求1所述的用于精密儀器與設備的雙余度六相力矩電機，其特征在于，所述的雙余度六相力矩電機設有2個獨立的六相定子繞組，采用9槽/8極的設計結構結構，該90槽/80極的雙余度六相力矩電機，采用拼接式設計，每個獨立繞組都由六個定子繞組單元通過定位凸臺和凹槽定位裝配為一個完整的定子；每個繞組單元由100片0.5_矽鋼片經級進模一次沖壓而成，每片硅鋼片19上均布15個齒槽，每個齒槽采用了用于減小齒槽效應結構22 ;在每個齒槽中線上設計有三個鉚扣通過級進模將100片0.5mm矽鋼片擠壓在一起，由鉚扣將其鉚接在一起；矽鋼片與線圈直接通過絕緣隔離罩進行絕緣。
7.根據權利要求1所述的用于精密儀器與設備的雙余度六相力矩電機，其特征在于，所述的電機轉子由40個N極和40個S極交替均布的分組在轉子軸上；每個磁極的永磁體采用單元式結構；每個磁極由3個等長同極性的永磁體組成，并采用減小齒槽效應的設計；該3個等長同極性的永磁由自動涂膠裝配機構按N、S極交替進行的方式均勻的裝配在電機轉子軸上；電機轉子軸兩端設有轉子軸安裝螺紋孔，可選擇任何一端與設備旋轉機構連接。
8.權利要求1所述的用于精密儀器與設備的雙余度六相力矩電機的控制方法，其特征在于，該雙余度六相力矩電動機采用雙余度系統，熱備份控制方式；電機控制系統采用雙DSP雙余度電機控制系統，其中的兩個DSP控制器采用冷備份的工作方式；雙余度電機中每個電機采用六相雙Y移30°繞組；設置兩組驅動器的相位角相差30°。
9.根據權利要求8所述的用于精密儀器與設備的雙余度六相力矩電機的控制方法，其特征在于，本雙余度冗余力矩電機采用多矢量合成的矢量控制方法:通過磁場定向控制技術完成對多相冗余力矩電機的解耦控制，該方法將自然坐標系下的方程轉換到靜止坐標系下三個兩維的相互垂直的子空間中，再轉換到旋轉坐標系中，實現電動機的解耦控制。
【文檔編號】H02K16/04GK104184285SQ201410380722
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月4日 優先權日:2014年4月23日
【發明者】任長志 申請人:中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所