专利名称：滚动调速式伺服电动机的制作方法
技术领域：
本发明滚动调速式伺服电动机是一种利用滚动调速原理进行调速的伺服电动机。按照使用电源的特征它可以分为直流滚动调速式伺服电动机和交流滚动调速式伺服电动机两类。
传统的交流伺服电动机靠使用移相电源作为控制电源，而移相器多使用电感或电容元件来产生移相，使移相器结构复杂，参数不稳定，使移相角易产生误差而影响伺服装置的工作精度；而直流伺服电动机基本上就是直流电动机，其结构复杂，成本高，性能指标陈旧。
本发明要提供一种不使用移相器的交流伺服电动机，和不使用传统的直流电动机的直流伺服电动机；本发明所提供的滚动调速式伺服电动机结构简单，性能指标先进。
本发明所提供的滚动调速式伺服电动机是这样实现的在利用滚动调速理论研制的智能单相交流电动机的基础上，将它的结构略加改造，即可产生相应的滚动调速式伺服电动机。
首先，我们简要地说明智能单相交流电动机的原理智能单相交流电动机由定子绕组在空间均匀对称分布的电动机、调速开关和控制装置组成。控制装置可使用单片机(例如MCS-51等)，调速开关可以全部使用双向可控硅。
绕组Y形接线的智能单相交流电动机具有良好的调速和运行性能，其原理如
图1所示。
如图1所示的由参数完全相同的三个定子绕组构成Y形接线的智能单相交流电动机的电气接线。这样在执行“滚动操作”和“并联通路操作法”操作时可以使单相交流电源产生的脉动磁场旋转起来从而形成圆形旋转磁场。而这种旋转磁场可以分别适用于异步和同步运行。
它们在执行“滚动操作”和“并联通路操作法”操作时的程序步骤为1.绕组AO+(OB/OC)接通于单相交流电源L-N极；设此时合成磁动势矢量原位位置为φ＝0°；2.绕组(AO/BO)+OC接通于单相交流电源L-N极；此时合成磁动势矢量位置为φ＝60°；3.绕组BO+(OA/OC)接通于单相交流电源L-N极；此时合成磁动势矢量位置为φ＝120°；4.绕组(BO/CO)+OA接通于单相交流电源L-N极；此时合成磁动势矢量位置为φ＝180°；5.绕组CO+(OA/OB)接通于单相交流电源L-N极；此时合成磁动势矢量位置为φ＝240°；6.绕组(CO/AO)+OB接通于单相交流电源L-N极；此时合成磁动势矢量位置为φ＝300°；1.绕组AO+(OB/OC)接通于单相交流电源L-N极；此时合成磁动势矢量位置为φ＝360°＝0°；2.…………其中AO表示绕组通电的方向是A端连向单相交流电源L极，O端连向单相交流电源N极；OA表示绕组通电的方向是O端连向单相交流电源L极，A端连向单相交流电源N极；“+”表示前后两个绕组元件串联；“/”表示前后两个绕组元件并联；磁动势矢量位置φ为从原位顺时针移动的角度。
上述各程序步的合成磁动势矢量都与其表达式中的串联绕组元件的磁动势矢量同方向。由此可见程序步每次顺序交换都会造成各程序步的合成磁动势矢量顺序“滚动”移动，每次移动的位移角ψ＝60°。当执行上述各程序步能使“滚动”移动的方向与电动机转向相同时，“滚动”移动将使电动机升速；当反向执行上述各程序步(例如从7→6→5→4→3→……)使“滚动”移动的方向与电动机转向相反时，“滚动”移动可使电动机降速。
因为三个绕组在空间互差120°，而因为并联电路的分流的作用使每个并联绕组元件中流过的电流只有串联绕组元件中的一半，设电源“滚动”后每个流过规定的电流的绕组产生的磁动势矢量的幅值皆为L，故步骤1中绕组元件AO产生的磁动势矢量幅值为L，而并联绕组元件OB/OC产生的合成磁动势矢量幅值为0.5L，元件AO产生的磁动势矢量的方向与并联绕组元件OB/OC产生的合成磁动势矢量方向相同，因此AO+(OB/OC)产生的合成磁动势矢量的幅值为1.5L。
由于每个程序步都是由一个串联绕组元件和一个并联绕组元件相串联组成，由此可见执行上述程序时每步产生的实际磁动势矢量轴线移动60°，即“滚动”位移角ψ＝60°，而各步所产生的合成磁动势的幅值都是1.5L，在“滚动”调速的过程中合成磁动势将是均匀不变的。也就是说，滚动调速可以产生圆形旋转磁场这对于用电容器来移相的单相电动机来说，由于在变频调速中容抗是随频率而改变的，所以它在调速过程中所产生的旋转磁场将经常是椭圆形旋转磁场；可见智能单相交流电动机来说，能够在调速过程中始终保持圆形旋转磁场，是一个性能的改进。
只有在程序步交换的过程中，在被交换的绕组已经从电源断开并且还没有重新接入的很短的时间间隔中，磁动势会发生瞬间波动。由于这个波动的作用周期极短，而停歇间隔相对很长，故它相当于偶然发生的幅值很低的“毛刺”，对电磁力矩的平稳性几无影响。
由于单相交流电源被“滚动”地输入电动机绕组，它所形成的旋转磁场的实际转速将为n+Δn，其中n为由输入的单相交流电源的频率等参数所决定的旋转磁场转速，旋转磁场的附加“滚动”转速分量Δn＝ψ×fψ/360°是由于执行了滚动操作而形成的分量，而式中fψ表示“滚动”位移角ψ发生的频率。因为ψ和fψ都是可由控制装置加以控制的变量，故智能单相交流电动机可以准确调速、调节行程和改变其运行特性。
在执行调速程序时电路的转换是很容易实现的，如从调速程序的第1步转向第2步时的电路切换，只要将K5断开将K6接通，而其它调速开关如K1、K4都继续保持接通、其它调速开关也不需作切换即可完成。从调速程序的操作规程可以看出，在这个电路切换过程中，始终遵守了“并联通路操作法”的操作原则，即电路的通断操作始终是在存在并联通路的情况下进行的，因此智能直流电动机能有良好的电气性能。
当需要电动机反转时，只要在电动机启动时将上述程序步的顺序反过来执行即可实现。如程序步7→6→5→4→3→……。如果是在运行中进行反转，则应先将智能单相电动机制动(使用反向“滚动”或机械制动等等方法)，待到转速下降为零后，再将上述程序步的顺序反过来执行即可实现反转。同时，由此可见，智能单相电动机的三相绕组中按照启动电流各设一个负责电动机的启动和停止的启动开关K2K4K6，而另一个调速开关K1K3K5按照电动机的额定电流设置即可。
从上述操作过程还可见，相邻的两个调速开关例如K1K2的断-通间隔很短，为了保证在使用双向可控硅时相邻的两个调速开关在其断-通切换时不会产生相间短路，因此K1K2的断-通间隔时间应≥电源的半个周期(10ms)；如果断-通间隔时间取10ms，程序步的时间取6.7ms，则“滚动”转速最高可达1500转/分，而智能单相电动机的调速范围可达到0～3000转/分。
如果要进一步提高滚动转速，则要引入全控器件构成的调速开关。
如果将智能单相交流电动机的调速开关全部采用全控器件如IGBT，由于IGBT的断开时间为1.1μs，如果取程序节拍的时间为6.7μs，则智能单相交流电动机的滚动转速可以提高1000倍而可能达到150万转/分，这样，调速范围、调速精度等等技术指标也将相应地显著提高。
智能单相电动机还有一个特殊的运行状态即在电动机利用滚动调速方法启动到一定转速以后，只要电磁力矩已经大于静阻力矩而可以产生加速力矩，就可以停止滚动操作而保持电源的固定接通，则电动机将在加速力矩的驱动下继续加速直到达到电动力矩与负载力矩相平衡，实现在与其电源相对应的自然特性的某点稳定运行。在此状态下，调速开关不执行滚动操作，而只由三个调速开关持续接通，因此它对应着调速开关最轻松的工作条件。对于许多需要调速的生产机械来说，正常状态往往是不调速的，调速只是在出现了不常情况时偶然发生的，例如调节泵等等。在这样性质的负载下使用智能单相电动机可以使其调速开关获得最轻松的工作条件。
智能单相交流电动机还可以采用定子绕组为△形接线的方式，如图2所示。
而且，由于定子绕组为△形接线，在调速开关通断操作时定子绕组始终存在闭合的放电回路，因此调速开关的操作不会引起明显的过电压、过电流。这种定子绕组为△形接线的智能电动机可能会有最好的性能指标。
现在再对交流滚动调速式伺服电动机的结构及原理进行说明。
交流滚动调速式伺服电动机的结构是以智能单相电动机为基础，仅需将其转子改为具有高电阻值的杯形或笼形转子即可。
绕组Y形接线的交流滚动调速式伺服电动机其原理如图1所示。绕组△形接线的交流滚动调速式伺服电动机其原理如图2所示。同时，交流滚动调速式伺服电动机定子绕组还可以有其他的形式，只要能够满足定子绕组在空间为均匀对称地分布即可。
交流滚动调速式伺服电动机的调速开关可以采用半控器件(如双向可控硅)或全控器件(如IGBT)来实现。
在由工频电网供电时，为了保证在全部使用双向可控硅时相邻的两个调速开关其断-通切换时不会产生相间短路，因此K1K2的断-通间隔时间应≥电源的半个周期(10ms)；如果断-通间隔时间取10ms，程序步的时间取6.7ms，则交流滚动调速式伺服电动机的滚动转速最高可达1500转/分，调速范围为0～3000转/分。
如果要进一步提高滚动转速，则要引入全控器件。例如全部使用全控器件IGBT作为调速开关；由于IGBT的断开时间仅为1.1μs，如果选择程序节拍时间为6.7μs，即程序节拍时间较前者缩短为1/1000，那么滚动转速可以提高1000倍，达到150万转/分。同时，调速范围、调速精度等等性能指标也将显著提高。
交流滚动调速式伺服电动机的制动状态是这样产生的即在电动机运转中，如果突然停止滚动操作而保持交流电源的固定接通，则由于高电阻的杯形或笼形转子的作用，电动机将在脉动磁场的作用下产生大小与转速的大小成正比而方向与转速方向相反的制动力矩，使电动机很快制动。也就是说，当交流滚动调速式伺服电动机在运行中突然停止滚动操作时，伺服电动机将很快制动停车，并且只要电源保持接通就始终存在一个与转动方向相反的制动力矩。这就满足了伺服电动机的防止“自转”的要求。这说明，交流滚动调速式伺服电动机已经把传统的交流伺服电动机的励磁绕组和控制绕组的两种作用合并于它的一组Y形接线的定子绕组中，并根据滚动操作信号来完成启动、调速和制动的控制了。由于滚动转速和角位移(行程)是可以由控制中枢按照程序步来精确控制的，它将可以避免因为电感、电容等参数的变化对移相精度的影响，因此交流滚动调速式伺服电动机能有比传统的交流伺服电动机更好的性能指标。
直流滚动调速式伺服电动机，其实就是将交流滚动调速式伺服电动机推广应用于直流电源下的产品。直流滚动调速式伺服电动机的硬件结构其实与交流滚动调速式伺服电动机没有什么原则区别，只要将交流滚动调速式伺服电动机的调速开关改用全控器件以便能够关断直流电流，同时引入SPWM或PWM脉宽调制软件以便使调速开关能将直流逆变成交流，并且采用滚动调速原理进行调速，就可以实现直流滚动调速式伺服电动机。由于直流滚动伺服电动机不采用由具有电枢和整流子的直流电动机构成的传统方案，因此，不但它的成本显著地下降，而且性能指标还能有所提高。直流滚动调速式伺服电动机的经济技术指标与交流滚动调速式伺服电动机基本相同。
本发明滚动调速式伺服电动机与传统的伺服电动机相比较，可以看出前者的优点为1.由于滚动转速的构成要素为角位移和角位移发生的频率，而这两个要素都可由计算机程序准确控制，因此交流滚动调速式伺服电动机比之传统的交流伺服电动机可以更精确地控制转速和行程，有更好的控制方面的性能指标；2.交流滚动调速式伺服电动机有更高的转速，可以达到150万转/分，调速范围、调速精度等性能指标也将有显著提高；3.传统的交流伺服电动机需要励磁电源和控制电源，而交流滚动调速式伺服电动机只需要一个电源，取消了为控制电源所用的复杂的移相设备，因此设备简单；4.直流滚动伺服电动机可以使用三绕组交流电动机来构成，这就取消了传统的直流伺服电动机的电枢和整流子，因此，不但成本显著下降，而且性能指标可以显著提高。
图1是定子绕组Y形接线的交流或直流滚动调速式伺服电动机原理图。
图2是定子绕组△形接线的交流或直流滚动调速式伺服电动机原理图。
上图中的调速开关均可以采用半控器件或全控器件；而直流滚动调速式伺服电动机的电源是直流电源。
实现本发明滚动调速式伺服电动机的最好的方式应该考虑对电网和环境的影响。为此，在许可的情况下，可以考虑优先选择定子绕组△形接线的滚动调速式伺服电动机。
使用滚动调速式伺服电动机的最好的方式应该按照不同的需求特征来进行不同的选择；-般来说，如果不是对某些性能有特别强调的要求，则由于交流滚动调速式伺服电动机的结构简单；因为不需进行脉宽调制，控制也就略微更方便一些；又因为单相电源比较容易得到，因此可以考虑将它作为在这样情况下的首选。
权利要求
1.包括交流滚动调速伺服电动机和直流滚动调速式伺服电动机的滚动调速式伺服电动机是一种新型伺服电动机，其特征是定子绕组在空间为均匀对称分布；利用滚动操作方式进行调速和运行；并且为了实现对“自转”的限制，滚动调速式伺服电动机是在智能单相电动机的基础上，将其转子改用高电阻值的杯形或者笼形转子；这样，在运行中当停止滚动操作时，由于定子磁场仅为脉动磁场，高电阻值的杯形或者笼形转子在脉动磁场中将产生与转速大小成正比的制动力矩而使电动机很快制动；而且只要电源处于接通状态这个制动作用就会始终保持。
2.权利要求1所述的交流滚动调速式伺服电动机，其特征是可以在单相电源中进行滚动操作来调速和运行；它的调速开关可以全部采用半控器件，也可以引入全控器件来提高滚动转速；它当在运行中突然停止滚动操作时，由于定子磁场仅为脉动磁场，故可以使高电阻值的杯形或者笼形转子产生大小与转速成正比的制动力矩而使电动机迅速制动，因此可以实现防止滚动调速式伺服电动机“自转”。
3.权利要求1所述的直流滚动调速式伺服电动机，其特征是可以在直流电源中进行SPWM或PWM操作来实现逆变，并进行滚动操作来调速和运行；它的调速开关引入了全控器件以断开直流电流；它当在运行中突然停止滚动操作时，由于定子磁场仅为脉动磁场，故可以使高电阻值的杯形或者笼形转子产生大小与转速成正比的制动力矩而使电动机迅速制动，因此可以实现防止滚动调速式伺服电动机“自转”。
全文摘要
滚动调速式伺服电动机是这样实现的在利用滚动调速理论研制的智能单相交流电动机的基础上，将它的结构略加改造，即将其转子改为具有高电阻值的杯形或笼形转子，即可得到相应的交流滚动调速式伺服电动机。绕组Y形接线的交流滚动调速式伺服电动机其原理如图所示。同时，交流滚动调速式伺服电动机定子绕组还可以有其他的形式，只要能够满足定子绕组在空间为均匀对称地分布即可。交流滚动调速式伺服电动机的调速开关可以采用半控器件如双向可控硅来实现。
文档编号H02K3/04GK1471216SQ0212526
公开日2004年1月28日 申请日期2002年7月22日 优先权日2002年7月22日
发明者黄群, 黄 群 申请人:黄群, 黄 群