本发明属于工业自动化控制技术领域，特别涉及一种空心转子环形永磁伺服电机。
背景技术：
现有的三相电动机或三相永磁同步电动机存在着耗能高，特别是普通异步电动机效率及功率因数都相对较低空载及轻载电流大，存在着无功励磁损耗，浪费我国大量的能源，和增加用户成本。更是现有的永磁同步电动机，存在着转子结构不成熟，是在普通异步电动机转子基础上及鼠笼内侧对称开槽插磁钢，大幅度减低转子的机械强度，和输出功率做不大，磁钢离转子表面较远，鼠笼阻挡磁通，磁钢在转子铁芯内存在着磁钢大幅度漏磁等缺陷，还有些转子用面贴磁钢，使用起来容易飞脱，和易退磁等，而无法推广。还有些永磁电机的厂家在电机轴上装不锈钢隔磁套在隔磁套圆周，用螺丝杆装磁极及磁钢，有轴向固定的、有径向固定的，磁极上还开槽装铜条做成阻尼笼大幅度增高了电机的造价，及废工废时，生产周期较长，总之乱七八糟的结构无一能达实用价值等诸多缺点。
除此之外，永磁同步伺服电机因其具有较高的能量密度、接近线性的出力特性和较少的维护成本等特点被广泛用于数控机床、机械人手臂等需要精密运动控制的场合，而为了充分发挥其功能特点，需要在上电时知晓电机转子的磁极位置(或称“相位”)，因此，需要对电机转子的磁极位置进行检测。现有的检测方法是在电机上安装专用传感器，直接对电机转子的磁极位置进行测量和记录，或者是采用直流法或高频注入法来寻找、估算上电时的初始相位。所谓直流法是指在专门的寻相动作中，向电机通入恒定大小、方向的电流，使转子受电流磁场作用被吸引在已知相位上；高频注入法是根据某种顺序向电机线圈注入高频电压信号，由于铁芯非线性饱和特性以及铁芯材料与空气磁导率的差异，当转子处于不同位置时所注入的电压将产生幅值不同的电流，对此电流信号进行解调、滤波和观测器估算后可获得转子相位信息。
采用专用传感器直接测量记录的方法最直观，但是系统成本较高，不能满足永磁同步伺服电机使用成本的要求；直流法寻相的特点是实现简单，但是在寻相时电机转子可能产生较大位移，容易对负载产生冲击；高频注入法的特点是寻相时间短，转子位移小，但是其算法实现复杂，要求电机必须具有凸极性，适应性不强。因此需要研究一种新的寻相方法，既能满足寻相位移小和精度高的要求，还能保证实现简单，成本低，适应性强。
综上所述，针对现有技术中存在的不足之处，有必要提供空心转子环形永磁伺服电机。
技术实现要素：
本发明的目的就是提供一种成本低、技术成熟、结构简单、重量轻、工作可靠、节能和使用寿命长的空心转子环形永磁伺服电机，是内转子式永磁同步电机工业走向成熟化、统一化标准化的一大飞跃，可取代所有异步电机使用的行业。为我国丰富的稀土资源有效开发利用奠定了坚实的基础。
本发明通过以下技术方案来实现：空心转子环形永磁伺服电机，由永磁主转子、鼠笼起动转子及主轴构成，所述永磁主转子与所述鼠笼起动转子并靠套装于所述主轴，所述永磁主转子设置为空心转子爪极式组合，在爪极与相邻部爪极的空隙有永磁材料或爪极内侧同心有磁路筒及永磁材料，空心转子爪极设置为梯形或瓦片形，所述梯形斜度为10°，且厚度一致，相邻梯形爪极形成的空隙为磁钢槽；相邻的瓦片形爪极形成为直角90°的焊接槽；圆柱体转子内侧有加强筋。
作为一种优选的技术方案，所述爪极整体与所述转轴过盈配合，且设置有隔磁套。
作为一种优选的技术方案，所述爪极与所述爪极组合成的磁钢槽口有不锈钢板条且用非导磁材料焊接封闭。
作为一种优选的技术方案，所述加强筋处由非导磁材料焊接，为不锈钢焊接；所述空心转子爪极式组合设置为空心转子与加强筋组合；所述爪极中心的深槽为集肤效应槽，槽内增设铜条构成阻尼笼增加起动转矩。
作为一种优选的技术方案，所述瓦片形爪极或所述梯形爪极两端设有通风孔和螺丝孔，所述螺丝孔为将爪极转子与内侧的所述钢筒一起固定用于输出转矩及保持动平衡；所述空心转子设置为halbach外磁场磁体结构，所述永磁材料为钕铁硼，所述空心转子由导磁性能较好的软磁材料开模精锻或精铸而成。
作为一种优选的技术方案，一种用于空心转子环形永磁伺服电机的自动寻相方法，在永磁伺服电机线圈内通入程序控制的寻相电流引起永磁伺服电机转子微动最后被吸引在固定位置的过程中，解算出永磁伺服电机转子的相位角，整个寻相过程采用速度闭环控制，使用以零速为控制目标的速度调节器接收速度反馈，并输出调节电流，调节电流与寻相电流夹角的互余锐角为寻相电流相位的修正值，经过多次循环使寻相电流的相位角逼近在永磁伺服电机相位的d轴上并以电磁吸力锁定永磁伺服电机转子，从而得到确定的永磁伺服电机转子相位角，包括：
步骤a，向永磁伺服电机内通入寻相电流指令i，并设定寻相电流指令i的初始相位角为α0；
步骤b，以零速为控制目标的速度调节器产生q轴调节电流指令iq，并与寻相电流指令i共同输入反正弦累加器，求得两个电流值之商的反正弦角度值α及其累计量∑α，其中α＝sin-1(iq/i)；
步骤c，电流调节器接收反正弦角度值α的累积量∑α与寻相电流指令i的初始相位角α0之和，即∑α+α0，以及寻相电流指令i，作为电流给定的矢量角度和矢量模长，产生新一拍电流指令，并由pwm发生/功率级发出，施加于永磁伺服电机之上，驱使永磁伺服电机连同其轴上的反馈元件旋转；
步骤d，反馈元件反馈的位置信息经一次微分后变成速度反馈信息，输入速度调节器；
步骤e，判断步骤d中的速度反馈信息是否为零并保持0.5秒以上，如果是，则寻相过程结束，永磁伺服电机转子d轴的相位角为∑α+α0；如果不是，则执行步骤f；
步骤f，将寻相电流i的相位角修正为α0+∑α，然后转至步骤b，继续寻相动作。
作为一种优选的技术方案，所述的寻相电流指令i的初始相位角α0为零。
作为一种优选的技术方案，所述的速度调节器可通过比例－积分－微分的方式实现。
作为一种优选的技术方案，所述的永磁伺服电机可以是永磁同步式电主轴，也可以是永磁同步式力矩电机，或者是永磁同步式直线电机，或者为永磁同步式旋转电机。
作为一种优选的技术方案，所述的永磁伺服电机可以是永磁同步式电主轴，也可以是永磁同步式力矩电机，或者是永磁同步式直线电机，或者为永磁同步式旋转电机。
与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：
(1)本发明与现有永磁同步电动机相比，成本极低，避免传统设计傻、大、重、粗，超轻的空芯转子更适用较小体积的永磁材料配备，极高的可靠性和实用性等优点有效地取代了现有技术成本高、工艺烦琐、耗电量大、效率低、结构不成熟、可靠性低、易损坏、无法推广等缺陷，带来了人们预料不到的技术效果，有巨大的经济效益和社会效益。
(2)本发明方法省去了记录磁极位置的组件，节省了成本，并且本发明方法寻相步骤少，寻相动作快，计算简单，精度高，实现了小位移、小冲击的自动寻相，不仅适用于永磁同步式旋转电机，也适用于永磁同步式直线电机、永磁同步式电主轴以及永磁同步式力矩电机等永磁同步电机。
附图说明
图1为本发明梯形爪极转子与鼠笼转子组合结构示意图；
图2为本发明瓦片形爪极与钢筒组合在一起a-a剖视图；
图3为本发明瓦片形爪极组合在一起焊接示意图；
图4为本发明八极爪极式转子组合焊接示意图；
图5为本发明八极带有集肤效应槽和加强筋的爪极转子组合焊接示意图；
图6是本发明方法的控制系统框图。
图7是本发明实施例中寻相电流指令i向空心转子环形永磁伺服电机d轴的逼近过程示意图。
图中：1、梯形爪极；2、鼠笼转子；3、风扇；4、主轴；5、磁钢槽；6、集肤效应槽；7、防护板；8、螺丝；9、磁路筒；10、通风孔；11、螺丝孔；12、焊接槽部；13、主轴孔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明梯形爪极转子与鼠笼式转子组合示意，梯形爪极厚度一致，梯形斜度为10°梯形爪极与爪极组合在一起相邻的空隙为磁钢槽，转子圆周磁钢槽呈相互交替的斜槽有效抵消转子磁场与定子齿槽嵌槽转矩(齿槽转矩)的影响，提高电机效率。爪极由导磁性能较好的软磁材料开模精锻或者精铸。爪极采用过盈配合热套于主轴上，相邻的瓦片形爪极形成为直角90°的焊接槽，磁钢槽插入假磁钢后用不锈钢焊条焊在焊接槽焊接，爪极与爪极组合成的磁钢槽口有不锈钢板条用非导磁材料焊接封闭，加强筋处由非导磁材料焊接，为不锈钢焊接；焊好后经粗车、精车后在钻床上在转子两端放置钻孔模板，钻好转子两端通风孔和螺丝孔后取出磁钢槽内的假磁钢，用专用工具放入磁钢后，两端用防护板螺丝一起固定。螺丝孔为将爪极转子与内侧的钢筒一起固定用于输出转矩及保持动平衡，鼠笼转子采用深槽、多槽相应配置起动转矩，并留有铸铝风扇，风扇内圆留有大通风孔，有效减轻转子重量和通风散热。
采用图2或图3实施例适合于制造伺服电机、变频同步电机，和配合鼠笼组合直接起动同步电机工艺方法同图1相同，空心转子设置为halbach外磁场磁体结构，适用于伺服电机或变频电机或无铁心电机。图4、图5为本发明切向并联磁路示意图，工艺方法同图1基本相同。
如图6所示，本发明的闭环控制模块包括：电流指令模块11、速度调节器12、反正弦累加器13、电流调节器14、pwm发生/功率级15、永磁同步伺服电机16、反馈元件17和微分环节18。本发明方法的寻相过程包括：
步骤一，电流指令模块1发出寻相电流i，该寻相电流i的相位角为零；
步骤二，以零速为控制目标的速度调节器12产生q轴的调节电流指令iq，并与寻相电流指令i共同输入反正弦累加器13，求得两个电流值之商的反正弦角度值α及其累计量∑α，其中α＝sin-1(iq/i)；
步骤三，电流调节器14接收反正弦角度值α的累积量∑α以及寻相电流指令i，作为电流给定的矢量角度和矢量模长，产生新一拍的电流指令，并由pwm发生/功率级15发出，施加于永磁伺服电机16之上，驱使永磁伺服电机16连同其轴上的反馈元件17旋转；
步骤四，反馈元件17反馈的位置信息经微分环节18一次微分后变成速度反馈信息，输入速度调节器12；
步骤五，判断步骤四中的速度反馈信息是否为零并保持0.5秒以上，如果是，则寻相过程结束，永磁伺服电机转子d轴的相位角为步骤二中所求得的反正弦角度值α的累计量∑α；如果不是，则执行步骤六；
步骤六，将寻相电流i的相位角修正为∑α，然后转至步骤二，继续寻相动作。
图7解释了本发明实施例寻相电流i的相位角不断向电机转子d轴的实际相位角逼近的过程。
寻相电流i的初始相位角为零，在第一个循环中速度调节器12产生q轴调节电流iq1，它与寻相电流i的夹角的互余锐角为α1，在第一个循环中，未能使速度反馈信息保持为零速，因此需将寻相电流i的相位角修正为α1至位置110，然后进入第二个循环；在第二个循环中，速度调节器12产生的q轴调节电流iq2与位置110中寻相电流i的夹角的互余锐角为α2，速度反馈信息仍然未能达到并保持零速，因此需将寻相电流i的相位角修正为α1+α2至位置111，然后进入第三次循环；在第三次循环中，速度调节器12产生的q轴调节电流iq3与位置111中寻相电流i的夹角的互余锐角为α3，在本次循环中，速度反馈信息达到并保持零速超过0.5秒，若将寻相电流i修正为α1+α2+α3至位置112，则寻相电流i与电机转子的d轴重合，因此，电机转子d轴的相位角为α1+α2+α3。
综上所述，本发明方法在永磁伺服电机上电初始转子相位未知时，通过向永磁伺服电机线圈内注入目标相位在d轴上的电流，实际相位与目标相位的偏差引起转子旋转，使用累加反正弦计算修正目标相位，使目标相位迅速收敛于实际相位的d轴上，整个过程引起的转子位移很小，并且运算简单，无需配置记录磁极位置的组件，节省了成本，通用性强。
本发明与现有永磁同步电动机相比，成本极低，避免传统设计傻、大、重、粗，超轻的空芯转子更适用较小体积的永磁材料配备，极高的可靠性和实用性等优点有效地取代了现有技术成本高、工艺烦琐、耗电量大、效率低、结构不成熟、可靠性低、易损坏、无法推广等缺陷，带来了人们预料不到的技术效果，有巨大的经济效益和社会效益。
本发明方法省去了记录磁极位置的组件，节省了成本，并且本发明方法寻相步骤少，寻相动作快，计算简单，精度高，实现了小位移、小冲击的自动寻相，不仅适用于永磁同步式旋转电机，也适用于永磁同步式直线电机、永磁同步式电主轴以及永磁同步式力矩电机等永磁同步电机。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“前上方”、“端部”、“长度”、“宽度”、“内”、“上”、“另一端”、“两端”、“水平”、“同轴”、“底部”、“下方”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“啮合”、“连接”、“嵌装”、“罩盖”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。