用于精密仪器与设备的双余度六相力矩电机及其控制方法
【专利摘要】用于精密仪器与设备的双余度六相力矩电机及其控制方法，电机为交流永磁同步伺服电机，由定子与转子装配而成，特征是所述定子与转子采用双定子与单转子结构，其中的双定子结构是，双定子采用了拼接式结构，设有两个独立的定子绕组；该两个独立的定子绕组共用一套永磁体；电机定子外壳上设计有冷却槽，两侧有密封槽，通过冷却系统可以降低电机的运行温度，提高电机的输出功率；该两个独立的定子绕组由控制系统控制，实现其中一个定子绕组的单独运转、两个定子绕组的并联运转。本发明采用双冗余控制可以实现，某套控制系统出现故障时，另一套系统仍能够正常工作，提高系统的可靠性。本发明也可以应用到其它高精密仪器与设备上。
【专利说明】用于精密仪器与设备的双余度六相力矩电机及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多相冗余电动机，具体涉及一种用于大型超精密仪器与设备伺服系统的双余度六相力矩电动机。本发明还涉及这种双余度六相力矩电动机的控制方法。
[0002]本发明为来源于中国科学院天文项目(C-113)、国家基金项目(项目编号:11273039)、江苏省产学研项目(项目编号:BY2011167)。
【背景技术】
[0003]与传统三相电机相比，六相电机具有低电压输出大功率、转矩波动小等优点，广泛应用于天文观测仪器、大型数控铣床、船舰推进器等领域。直接驱动技术在低速大扭矩的应用场合可以省去减速装置，使得设计具有结构紧凑，可靠性高，免维护，加速性能优异，无振荡等优点，广泛应用于各种精密装备中。大型天文望远镜的跟踪系统对直接驱动力矩电机转矩的要求高达100000Nm以上，且转矩脉动小于1%，同时要求具有超低的跟踪速度和较高的指向速度，调速范围大，跟踪精度极高。减少电机力矩脉动的主要方式有增加力矩电机的极对数或者增加电机的相数来消除低频谐波力矩波动的影响。多相直接驱动力矩电机因其转矩脉动小、可靠性高、可以很好地满足大功率电气传动系统的要求，在超精密军事仪器、机床、大型天文望远镜等对可靠性要求极高以及大功率的应用场合有着广泛的应用前景。目前的多相电机主要针对高速的伺服电机，但对于低速直接驱动多余度多相电机未见相关报道。
[0004]对于大容量的力矩电机来讲，因为尺寸太大很难用整体定子结构，为了节约成本，可以采用拼装式定子结构，国内外也有相关小型电机的电机定子拼装设计及制造工艺，大都采用矽钢片冲压后，根据电机设计要求，在矽钢片定子磁极上有铆钉孔，将多片矽钢片通过铆钉与孔配合来铆接矽钢片，或者将整片定子冲片简单分成等分的几组冲片，然后将几组冲片用激光焊接的方式连接成环形的定子，上述设计方法和工艺对于高速运行的电机来讲，发热问题并不明显；但是对于运行于超低速的直接驱动电机来讲，产生的热量会让电机定子迅速升温，甚至无法工作。
【发明内容】
[0005]本申请将提供一种用于精密仪器与设备的双余度六相力矩电机及其控制方法，其中的双余度六相力矩电机，特别是一种9槽8极的系列化多相冗余力矩电机。该系列电机采用六相双Y型的电机设计，力矩波动小，调速范围广，低速运转时无爬行现象，采用冗余技术，系统可靠性高。可以实现大型超精密仪器数控机床、天文望远镜、大型转台与设备伺服系统的直接驱动。本发明能够克服现有技术缺少低速直接驱动多余度多相电机的不足，针对现有技术的上述难题，本发明给出一种解决方案。同时，本发明能够解决现有技术尚未解决的、超低速运行的直接驱动电机产生的热量会让电机定子迅速升温，甚至无法工作的技术难题。本发明提供了一种能克服上述工艺缺陷，所需工艺简单，易于加工制造的拼装设电机定子结构及工艺。本发明还涉及这种双余度六相力矩电动机的控制方法。
[0006]完成上述发明任务的技术方案是:一种用于精密仪器与设备的双余度六相力矩电机，该电机为交流永磁同步伺服电机，由定子与转子装配而成，其特征在于:采用六相双Y型的六相电机设计，定子与转子采用双定子与单转子无框式结构；电机转子永磁体采用单元式结构；双定子采用拼接式结构，并采用两套独立的定子绕组；该两套独立的定子绕组共用一套转子；该两个独立的定子绕组由控制系统控制，实现其中一个定子绕组的单独运转，或两个定子绕组的并联运转。
[0007]本发明的上述方案的进一步改进，有以下优化方案:
1、该电机定子外壳上设有冷却槽、两侧设有密封槽，并设有冷却系统(也称为冷却机构)。通过冷却系统可以降低电机的运行温度，提高电机的输出功率。
[0008]2、电机转子永磁体的单元式结构采用减小齿槽效应的优化设计，采用转子斜极、定子矽钢片增加槽口的方式来抑制齿槽转矩脉动。
[0009]3.采用拼接式设计，每个独立绕组都由六个定子绕组单元通过定位凸台和凹槽定位装配为一个完整的定子。
[0010]更具体地说，本发明所述的双余度六相力矩电机主要由2个独立的六相定子绕组A3UB32, I个电机转子9，环氧树脂4，冷却机构(密封橡胶圈A51、B52，冷却接头A61、B62，冷却外壳7 )，定子外壳8，引出的电机电缆A11、B12以及过热检测线缆A21、B22组成。双余度六相力矩电机采用9槽/8极结构，本申请中以90槽/80极的结构作为说明，但其受保护的权利不仅限于此，任何以9槽/8极结构组成的力矩电机都在本专利设计范围之内。为满足大功率、高可靠性、高容错性、转矩脉动小的运行要求，采用六相双Y型设计。
[0011]所谓的冷却机构主要有密封橡胶圈451、852，冷却接头八61、862，冷却外壳7以及电机定子外壳8组成。通过冷却系统可以降低电机的运行温度，提高电机的输出功率。电机定子外壳8上设计有冷却槽141-147，两侧有密封槽131、132，里面镶入O型橡胶密封圈A51、B52,可以防止冷却液对外泄露,外侧配合有冷却外壳7,可以通过螺栓与电机定子外壳8和设备基座进行连接固定。冷却外壳7上加工有两个冷却接头螺纹孔151、152，入口冷却接头B62与出口冷却接头A61分别与冷却接头螺纹孔152、151通过管螺纹进行连接，需要冷却时，冷却液输入管与入口冷却接头B62相连，输出管则与出口冷却接头A61相连，然后根据设备和电机功率选择匹配的冷却系统和冷却速度。
[0012]电机的定子外壳8上设计有定子定位槽111、112、113、114、115、116，以定子绕组A31为例，定子绕组A31由绕组单元311、312、313、314、315、316通过矽钢片上的定位凹槽17和凸台21配合后压入对应的定子定位槽111、112、113、114、115、116,并通过定子定位台12上台阶定位面定位，同样对于定子绕组B32对应的六个绕组单元通过矽钢片19上设计的定位凹槽17和凸台21配合后压入定子定位槽并通过定子定位台12下台阶定位面定位。装配好定子绕组A31、B32后，用环氧树脂4填充，既可以降低电机噪声，又可以防止定子31、32窜动。定子定位槽111、112、113、114、115、116防止了定子绕组A31、B32的转动，同时将其严格同相定位。另外，定子外壳8上还设计有走线槽101，可以将两个定子绕组A31、B32的电机线缆A11、B12安装在同一侧。电机转子9上通过自动设备均匀的粘贴有80个磁极，40个N极40个S极，N、S极相邻交替均布排列。两个定子绕组A31、B32共用一套电机转子9。
[0013]双余度六相力矩电机设计有2个独立的六相定子绕组A31，B22，采用9槽/8极的设计结构结构，对于90槽/80极的双余度六相力矩电机，综合考虑制造工艺与成本，采用拼接式设计，每个独立绕组都由六个定子绕组单元通过定位凸台和凹槽定位装配为一个完整的定子。以定子绕组A31为例，定子I绕组单元311、312、313、314、315、316通过矽钢片19上设计的定位凹槽17和凸台21配合后压入定子定位槽111、112、113上侧。每个绕组单元由100片0.5_矽钢片经级进模一次冲压而成，每片硅钢片19上均布15个齿槽，每个齿槽采用了用于减小齿槽效应结构22，即在每个齿的顶端设计有两个小的矩形槽口(见图3)。在每个齿槽中线上设计有三个铆扣161、162、163通过级进模将100片0.5mm矽钢片挤压在一起，由铆扣161、162、163将其铆接在一起，因为每片矽钢片是连续的，避免了铆钉或者焊接导致超低速运行时电机的温升发热问题。为了防止短路，在矽钢片19与线圈18直接通过绝缘隔离罩23进行绝缘。
[0014]对于90槽/80极的双余度六相力矩电机，电机转子9由40个N极28和40个S极27交替均布的分组在转子轴26上。每个磁极的永磁体采用单元式结构，以N极28为例，实例中的双余度六相力矩电机的每个磁极由3个等长同极性的永磁体251、252、253组成，并进行了优化设计，采用斜极设计以减小齿槽效应(见图4)，该机构不限于此，根据9槽8极的原则，可以设计不同规格的双余度六相冗余力矩电机，根据力矩要求可以由不同数量的的永磁体单元组成一极，从而形成系列化的电机，都在本专利保护范围之内。3个等长同极性的永磁由自动涂胶装配机构按N、S极交替进行的方式均匀的装配在电机转子轴26上。电机转子轴26两端设计了转子轴安装螺纹孔241、242，用户可以根据设备技术要求选择任何一端与设备旋转机构连接。
[0015]完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述用于精密仪器与设备的双余度六相力矩电机的控制方法，其特征在于，该双余度六相力矩电动机采用双余度系统，热备份控制方式；电机控制系统采用双DSP双余度电机控制系统，其中的两个DSP控制器采用冷备份的工作方式；双余度电机中每个电机采用六相双Y移30°绕组；设置两组驱动器的相位角相差30°，从而实现了双余度六相双Y移30°力矩电机的应用。
[0016]重复地说:本双余度六相力矩电机采用余度技术提高产品和系统可靠性，为了提高系统的利用率，本电机采用双余度系统，热备份控制方式。即在正常情况下两余度同时工作，当某一余度出现故障时，系统切除发生故障的余度，启用单余度方式。
[0017]电机控制系统采用双DSP双余度电机控制系统，可以分解成两个独立的电机控制系统，为了保证两个DSP时序的一致性，双DSP采用冷备份的工作方式。双余度电机中每个电机采用六相双Y移30°绕组，但由于目前的供电电源都是三相电源，电机采用两组驱动器并联给电机供电，设置两组驱动器的相位角相差30°，从而实现了双余度六相双Y移30°力矩电机的应用参见图5。
[0018]更具体的讲，DSP控制器421、422组成了六相电机的双余度控制系统，为了保证两个DSP控制器421、422时序的一致性，采用冷备份的工作方式。双余度电机中每个电机采用六相双Y移30°绕组，但由于目前的供电电源都是三相电源，电机I (定子绕组31)采用两组驱动器431、432并联给电机I供电，两组驱动器431、432相位角相差30°，实现了六相双Y移30°力矩电机的控制。同样，电机2 (定子绕组B32)采用两组驱动器433、434并联给电机2供电，两组驱动器433、434相位角相差30°，实现了六相双Y移30°力矩的控制。见图5。为了提高控制系统的利用率，双余度六相力矩电机采用热备份控制方式。即在正常情况下两余度同时工作，当某一余度出现故障时，系统切除发生故障的余度，启用单余度方式。当系统正常工作时，DSP控制器421控制着电机I的驱动器431、432和电机2的驱动器433、434对双余度六相力矩电机进行控制，当电机I或者驱动器431、432任何一个驱动器出现故障时则切断对电机I的控制，同样对电机2也是进行同样的控制操作；如果电机I的驱动器431、432其中一个出现故障和电机2的驱动器433、434其中一个也出现故障，DSP控制器421控制电机I和电机2工作在三相模式下，进而可以做进一步的冗余控制，如果DSP控制器421出现故障，则立刻启动冷备份DSP控制器422，进行上述控制。
[0019]双余度冗余力矩电机采用多矢量合成的矢量控制方法。通过磁场定向控制技术完成对多相冗余力矩电机的解耦控制，该方法将自然坐标系下的方程转换到静止坐标系下三个两维的相互垂直的子空间中，再转换到旋转坐标系中，实现电动机的解耦控制。所采用的双Y三相空间矢量控制方法控制六相冗余力矩电机的向量图如图6所示。
[0020]/?为旋转的转子坐标系。马为i/轴与J相绕组中线的夹角，由图6可知，可以将六相坐标系变换，分成两个旋转矩阵: 式中，/代表ΙΛ U Ψ
自然坐标系到旋转坐标系下的变换矩阵为:
【权利要求】
1.一种用于精密仪器与设备的双余度六相力矩电机，该电机为交流永磁同步伺服电机，由定子与转子装配而成，其特征在于:采用六相双Y型的六相电机设计，定子与转子采用双定子与单转子无框式结构；电机转子永磁体采用单元式结构；双定子采用拼接式结构，并采用两套独立的定子绕组；该两套独立的定子绕组共用一套转子；该两个独立的定子绕组由控制系统控制，实现其中一个定子绕组的单独运转，或两个定子绕组的并联运转。
2.根据权利要求1所述的用于精密仪器与设备的双余度六相力矩电机，其特征在于，所述电机定子的外壳上设有冷却槽、两侧设有密封槽，并设有冷却系统。
3.根据权利要求1所述的用于精密仪器与设备的双余度六相力矩电机，其特征在于，所述电机转子永磁体的单元式采用转子斜极、定子矽钢片增加矩形槽口的设计方式来抑制齿槽转矩脉动。
4.根据权利要求1所述的用于精密仪器与设备的双余度六相力矩电机，其特征在于，所述的双余度六相力矩电机的具体结构是:由2个独立的六相定子绕组，I个电机转子，环氧树脂，冷却系统，定子外壳，引出的电机电缆以及过热检测线缆组成；该双余度六相力矩电机采用9槽/8极结构，采用六相双Y型设计。
5.根据权利要求2所述的用于精密仪器与设备的双余度六相力矩电机，其特征在于，所述的冷却系统由密封橡胶圈，冷却接头，冷却外壳以及电机定子外壳组成:其中， 电机定子外壳上设有冷却槽，两侧设有密封槽，密封槽里面镶入O型橡胶密封圈，外侧配合有冷却外壳，通过螺栓与电机定子外壳和设备基座进行连接固定；冷却外壳上加工有两个冷却接头螺纹孔，入口冷却接头与出口冷却接头分别与冷却接头螺纹孔通过管螺纹进行连接，需要冷却时，冷却液输入管与入口冷却接头相连；输出管则与出口冷却接头相连。
6.根据权利要求1所述的用于精密仪器与设备的双余度六相力矩电机，其特征在于，所述的双余度六相力矩电机设有2个独立的六相定子绕组，采用9槽/8极的设计结构结构，该90槽/80极的双余度六相力矩电机，采用拼接式设计，每个独立绕组都由六个定子绕组单元通过定位凸台和凹槽定位装配为一个完整的定子；每个绕组单元由100片0.5_矽钢片经级进模一次冲压而成，每片硅钢片19上均布15个齿槽，每个齿槽采用了用于减小齿槽效应结构22 ;在每个齿槽中线上设计有三个铆扣通过级进模将100片0.5mm矽钢片挤压在一起，由铆扣将其铆接在一起；矽钢片与线圈直接通过绝缘隔离罩进行绝缘。
7.根据权利要求1所述的用于精密仪器与设备的双余度六相力矩电机，其特征在于，所述的电机转子由40个N极和40个S极交替均布的分组在转子轴上；每个磁极的永磁体采用单元式结构；每个磁极由3个等长同极性的永磁体组成，并采用减小齿槽效应的设计；该3个等长同极性的永磁由自动涂胶装配机构按N、S极交替进行的方式均匀的装配在电机转子轴上；电机转子轴两端设有转子轴安装螺纹孔，可选择任何一端与设备旋转机构连接。
8.权利要求1所述的用于精密仪器与设备的双余度六相力矩电机的控制方法，其特征在于，该双余度六相力矩电动机采用双余度系统，热备份控制方式；电机控制系统采用双DSP双余度电机控制系统，其中的两个DSP控制器采用冷备份的工作方式；双余度电机中每个电机采用六相双Y移30°绕组；设置两组驱动器的相位角相差30°。
9.根据权利要求8所述的用于精密仪器与设备的双余度六相力矩电机的控制方法，其特征在于，本双余度冗余力矩电机采用多矢量合成的矢量控制方法:通过磁场定向控制技术完成对多相冗余力矩电机的解耦控制，该方法将自然坐标系下的方程转换到静止坐标系下三个两维的相互垂直的子空间中，再转换到旋转坐标系中，实现电动机的解耦控制。
【文档编号】H02K16/04GK104184285SQ201410380722
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月4日 优先权日:2014年4月23日
【发明者】任长志 申请人:中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所