多基频多功率切换式电机及驱动系统的制作方法

本发明涉及一种电机驱动及控制系统，具体而言，涉及一种多基频多功率切换式电机及驱动系统。

背景技术：

目前，数控机床主轴电机(包括电主轴、变频电机、永磁伺服电机)主要采用常规的基频(额定频率)是50hz的电机，也有部分产品采用其他基准频率值的电机。对电主轴的要求主要为：

(1)足够的输出功率:数控机床的主轴要适应各种不同工件的加工，有轻载也有重载，但大部分重载是在低转速时进行，需要足够的扭矩和功率输出；

(2)一定调速范围：为保证数控机床适用于各种不同的刀具、加工材质以及加工工艺，要求主轴电机具有足够的调速范围。

然而，现有数控机床主轴电机的调速范围比较窄，在极低频和极高频时不能正常工作，低速时扭矩小，高速时功率小，不能满足更高的使用要求。当满足低速大扭矩时，就不能满足高速大功率，当满足高速大功率时，就满足不了低速大扭矩。

在电动车上使用的电机同样存在低速时扭矩小，高速时功率小的问题，当满足启动及爬坡的低速(大扭矩)性能要求时，在高速行驶时由于功率不足而最大时速就达不到要求，当满足高速行驶的高速性能要求时，就不能满足启动及爬坡的低速(大扭矩)性能要求了。

技术实现要素：

本发明就是为了解决现有数控机床主轴电机或电动车电机不能同时满足低速大扭矩，高速大功率要求的技术问题，提供了一种能够满足低速恒定大扭矩，高速大功率要求的多基频多功率切换式电机及驱动系统。

本发明的技术方案是，提供一种多基频多功率切换式电机及驱动系统，包括变频驱动系统、切换装置和电机，变频驱动系统用于驱动电机工作并进行变频调速，切换装置用于切换电机的工作模式。

优选地，切换装置为星角切换装置，电机为y/δ电机，变频驱动系统为变频器；星角切换装置包括角接开关和星接开关，y/δ电机上定子绕组的三个首端u1、v1、w1和三个尾端u2、v2、w2之间通过角接开关连接，y/δ电机上定子绕组的三个尾端u2、v2、w2与星接开关连接；变频器的电压输出端与y/δ电机的定子绕组的三个首端u1、v1、w1连接。

优选地，多基频多功率切换式电机及驱动系统还包括控制装置，控制装置用于控制切换装置和变频驱动系统动作。

优选地，控制装置为星角控制装置，星角控制装置包括变频器运行/停止按钮、工作模式选择按钮、继电器、第一接触器和第二接触器；继电器与工作模式选择按钮连接，变频器中的电源端子与继电器连接，变频器运行/停止按钮与变频器连接，角接开关连接于第一接触器和继电器之间，星接开关连接于第二接触器和继电器之间。

优选地，变频驱动系统为异步伺服驱动器或同步伺服驱动器，电机为异步电动机、异步伺服电机或同步伺服电机。

本发明还提供一种应用多基频多功率切换式电机及驱动系统的电机控制方法，y/δ电机为三相异步电动机，电机控制方法包括以下步骤：

第一步，将y/δ电机在角接状态下的电机参数0输入到变频器中，将y/δ电机在星接状态的电机参数1输入到变频器中；所述电机参数0包括u0,p0,i0,f0,n0；所述电机参数1包括u1,p1,i1,f1,n1；

第二步，设定变频器为v/f控制方式，然后上电运行；

第三步，数控机床工作时，根据加工工件的具体要求，当需要刀具低速运行时，让角接开关断开，让星接开关闭合导通，使y/δ电机处于星接状态，此时变频器调用电机参数1进行工作，并在0～f1hz频率范围内进行调速，使y/δ电机在0～n1r/min转速范围内运行；

第四步，数控机床工作时，根据加工工件的具体要求，当需要刀具高速运行时，让角接开关闭合导通，让星接开关断开，使y/δ电机处于角接状态，此时使变频器调用电机参数0进行工作，并在f1～f0hz频率范围内进行调速，使y/δ电机在n1～n0r/min转速范围内运行。

优选地，第三步中，变频器调用电机参数1进行工作，并在0～28hz频率范围内进行调速，使y/δ电机在0～805r/min转速范围内运行；

第四步中，变频器调用电机参数0进行工作，并在28～50hz频率范围内进行调速，使y/δ电机在805～1440r/min转速范围内运行。

优选地，y/δ电机的机座号是112，极数是4；定子铁心的外径是φ175，36槽，定子铁芯长度为120mm；转子铁芯外径为φ109.3，28槽，转子铁芯长度120mm；转子铁芯为铸铝鼠笼结构；定子绕组的绕组型式为单双层同心式；

电机控制方法的第三步中，当在变频器上调整频率3.4～7hz范围，使y/δ电机在97～200r/min范围内运行时，实现大扭矩输出，扭矩恒定输出为26.5n·m；

电机控制方法的第三步中，当在变频器上调整频率1.2～3.3hz范围，使y/δ电机在34～95r/min范围内运行时，实现大扭矩输出，扭矩恒定输出为26n·m；

电机控制方法的第四步中，当在变频器上调整频率40～50hz范围，使y/δ电机在1152～1440r/min范围内运行时，实现大功率输出，功率输出为3.2kw～4kw。

本发明还提供一种多基频多功率切换式电机及驱动系统，包括变频器、串并联切换装置和电机，变频器用于驱动电机工作并进行变频调速，串并联切换装置用于切换电机的工作模式，电机的定子绕组包括两路绕组，其中第一路绕组的三个首端为u1、v1、w1，三个尾端为u2、v2、w2；第二路绕组的三个首端为u3、v3、w3，三个尾端为u4、v4、w4；

串并联切换装置包括开关k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7，第一路绕组的u2端通过开关k1与第二路绕组的u3端连接，第一路绕组的v2端通过开关k2与第二路绕组的v3端连接，第一路绕组的w2端通过开关k3与第二路绕组的w3端连接；第二路绕组的u4端、v4端、w4端焊接在一起；第一路绕组的u1端通过开关k4与第二路绕组的u3端连接，第一路绕组的v1端通过开关k5与第二路绕组的v3端连接，第一路绕组的w1端通过开关k6与第二路绕组的w3端连接；第一路绕组的u2端、v2端、w2端与开关k7连接；第一路绕组的三个首端为u1、v1、w1作为与变频器三相电源输出端连接的u端、v端、w端。

本发明还提供一种应用多基频多功率切换式电机及驱动系统的电机控制方法，包括以下步骤：

第一步，将电机在串联接法状态下的电机参数0输入到变频器中，将电机在并联接法状态的电机参数1输入到变频器中；所述电机参数0包括u0,p0,i0,f0,n0；所述电机参数1包括u1,p1,i1,f1,n1；

第二步，设定变频器为v/f控制方式，然后上电运行；

第三步，数控机床工作时，根据加工工件的具体要求，当需要刀具低速运行时，让开关k1、k2和k3闭合导通，让开关k4、k5、k6和k7断开，使电机处于串联接法状态，此时使变频器调用电机参数0进行工作，并在0～f0hz频率范围内进行调速，使电机在0～n0r/min转速范围内运行；

第四步，数控机床工作时，根据加工工件的具体要求，当需要刀具高速运行时，让开关k1、k2和k3断开，让开关k4、k5、k6和k7闭合导通，使电机处于并联接法状态，此时使变频器调用电机参数1进行工作，并在f0～f1hz频率范围内进行调速，使电机在n0～n1r/min转速范围内运行。

本发明的有益效果是，增大了调频范围，增大了调速范围，实现一台电机具备两个或多个基频状态，也可以说一台电机具备两个或多个功率状态，从而实现更低频或低速时也能大扭矩输出，高频或高速时也能大功率输出。

本发明进一步的特征和方面，将在以下参考附图的具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。

附图说明

图1是多基频多功率切换式电机及驱动系统的原理框图；

图2是多基频多功率切换式电机及驱动系统的一种实施方式的结构示意图；

图3是y/δ电机的绕组角接和星接示意图；

图4是双基频电机的功率曲线与现有单基频功率曲线的对比图；

图5是多基频多功率切换式电机及驱动系统的一种实施方式的结构示意图；

图6串并联切换装置的结构示意图；

图7是电机绕组串联接法的等效电路原理图；

图8是电机绕组并联接法的等效电路原理图；

图9是电机绕组串联接法时变频器提供电压的示意图；

图10是电机绕组并联接法时变频器提供电压的示意图；

图11是图6所示的串并联切换装置中的开关使用双向可控硅的示意图；

图中符号说明：

1.变频驱动系统，2.切换装置，3.电机，4.控制装置，5.星角切换装置，6.星角控制装置，7.变频器，8.y/δ电机；9.串并联切换装置，10.串并联控制装置，11.变频器，12.电机。

具体实施方式

以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，多基频多功率切换式电机及驱动系统包括变频驱动系统1、切换装置2、电机3、控制装置4，变频驱动系统1用于驱动电机3工作并进行变频调速，切换装置2用于改变电机3上绕组的接法，控制装置4用于控制切换装置2和变频驱动系统1动作。变频驱动系统1可以是变频器或伺服驱动器。电机3可以是任何公知结构的电机，比如三相异步电机、三相异步变频电机、永磁同步电机、伺服电机。

实施例一

如图2所示，星角切换装置5用于对y/δ电机8的定子绕组进行星角切换，星角控制装置6分别与星角切换装置5和变频器7相连接，变频器7选用威海麦科电气技术有限公司生产的mv10系列变频器。

星角切换装置5包括角接开关km1和星接开关km2，y/δ电机8上定子绕组的三个首端u1、v1、w1和三个尾端u2、v2、w2之间通过角接开关km1连接，y/δ电机8上定子绕组的三个尾端u2、v2、w2与星接开关km2连接。变频器7的电压输出端与y/δ电机8的定子绕组的三个首端u1、v1、w1连接。当角接开关km1闭合导通，星接开关km2断开时，y/δ电机8处于角接状态；当角接开关km1断开，星接开关km2闭合导通时，y/δ电机8处于星接状态。因此，y/δ电机8为双基频电机。

ac380v电源接入变频器7的输入端。

星角控制装置6包括变频器运行/停止按钮sb1、电机正转/反转按钮sb2、工作模式选择按钮sb3、继电器ka1、接触器km1、接触器km2。星角控制装置6中的24v、com、x1、x2、x7端与变频器7中相应的24v、com、x1、x2、x7端子号进行连接。继电器ka1为24v控制的继电器，变频器运行/停止按钮sb1为自锁式按钮，电机正转/反转按钮sb2为自锁式按钮，工作模式选择按钮sb3为自锁式按钮。当工作模式选择按钮sb3不动作时，接触器km1接通，y/δ电机8处于角接状态；当工作模式选择按钮sb3动作按下按钮接通时，继电器ka1动作，接触器km1释放，接触器km2接通，y/δ电机8处于星接状态。

当工作模式选择按钮sb3不动作时，通过变频器7上的操作面板进行设定，变频器7调用y/δ电机8的电机参数0，当工作模式选择按钮sb3动作按下按钮接通时，变频器7调用y/δ电机8的电机参数1。

通过列举具体结构及性能参数的电机来进一步说明，y/δ电机8采用三相异步电动机，其结构特征是：机座号是112，极数是4；定子铁心的外径是φ175，36槽，槽口尺寸为国家标准y2槽口尺寸；定子铁芯长度为120mm；转子铁芯外径为φ109.3，28槽，槽口尺寸为国家标准y2槽口尺寸，斜槽度为1.1个定子槽；转子铁芯长度120mm；转子铁芯为铸铝鼠笼结构；定子绕组线圈的匝数是：大包31匝，小包15匝；定子绕组的绕组型式为单双层同心式；漆包线的规格是2-φ0.9。y/δ电机8在角接状态下的电机参数0如表1所示，

表1：

y/δ电机8在星接状态下的电机参数1如表2所示，

表2：

结合图3，y/δ电机8从角接转换成星接后，u0＝u1，电机磁感应强度相同，所以φ0＝φ1；e0＝u0，n0＝n1，

根据公式f1＝(e1/e0)*(n0/n1)*f0求出，

取整数，得出f1＝28hz。

由于切换前后电机的极对数不变，所以根据n1＝n0*f1/f0求出n1＝1440*28/50＝806.4，取整数，得出n1＝805。

y/δ电机8切换前后，保证每个绕组中导线的电流密度不变。当电机绕组为角接时，其线电流是相电流的倍，即相电流为当电机绕组为星接时，在每个绕组导线的电流密度相同的情况下，其相电流也为而线电流与相电流相同，即所以，取整数5.1。

根据公式p1＝(i1/i0)*p0求出因为与国家标准电机系列2.2kw非常接近，所以取p1进一步取值2.2。

因此，将表1中的u0,p0,i0,f0,n0输入到变频器7中作为电机参数0，将表2中的u1,p1,i1,f1,n1输入到变频器7中作为电机参数1。设定变频器7为v/f控制，p10.10功能码设为1，即两线式端子控制起停模式，然后上电运行。当工作模式选择按钮sb3不动作时，y/δ电机8处于角接状态，此时变频器7调用电机参数0进行工作；当工作模式选择按钮sb3动作导通后，y/δ电机8处于星接状态，此时变频器7调用电机参数1进行工作。由于电机参数0与电机参数1的额定频率(即基频)不同，额定功率也不同，额定转速也不同，额定电流也不同，从而实现了一台电机两个基频两个功率进行切换工作的效果。

在y/δ电机8处于角接状态，变频器7调用电机参数0在0～50hz频率范围内进行变频调速时，在低频10hz时扭矩开始衰减。而在y/δ电机8处于星接状态，变频器7调用电机参数1在0～28hz频率范围内进行变频调速时，在低频1hz时扭矩才开始衰减。因此，可以通过以下方法控制数控机床的工作过程：

第一步，将y/δ电机8在角接状态下的电机参数0输入到变频器7中，将y/δ电机8在星接状态的电机参数1输入到变频器7中。

第二步，设定变频器为v/f控制方式，然后上电运行。

第三步，数控机床工作时，根据加工工件的具体要求，当需要刀具低速运行时，按下工作模式选择按钮sb3动作导通后，使y/δ电机8处于星接状态，此时使变频器7调用电机参数1进行工作，并在0～28hz频率范围内进行调速，使y/δ电机8在0～805r/min转速范围内运行，以满足实际工况要求。

当在变频器7上调整频率3.4～7hz范围，使y/δ电机8在97～200r/min范围内运行时，实现大扭矩输出，扭矩恒定输出为26.5n·m。

当在变频器7上调整频率1.2～3.3hz范围，使y/δ电机8在34～95r/min范围内运行时，实现大扭矩输出，扭矩恒定输出为26n·m。

第四步，数控机床工作时，根据加工工件的具体要求，当需要刀具高速运行时，使工作模式选择按钮sb3断开，使y/δ电机8处于角接状态，此时使变频器7调用电机参数0进行工作，并在28～50hz频率范围内进行调速，使y/δ电机8在805～1440r/min转速范围内运行，以满足实际工况要求。

当在变频器7上调整频率40～50hz范围，使y/δ电机8在1152～1440r/min范围内运行时，实现大功率输出，功率输出为3.2kw～4kw。

上述电机系统满足了数控机床、电动车等设备低速大扭矩的要求，同时实现高速大功率工作状态。因此，实现了极低频或低速时也能输出恒定大扭矩，增大了调频范围、调速范围。

参考图4，如果将y/δ电机8在星接状态下的额定频率设计为50hz，切换到角接状态后的额定频率为额定功率放大到星接状态的倍，从而在电机调速过程中，实现高频、高速时输出大扭矩，解决了单一基频电机在高速运转时扭矩不足的问题。

实施例二

如图5所示，串并联切换装置9用于对电机12的定子绕组进行串并联切换，串并联控制装置10用于控制串并联切换装置9和变频器11动作，变频器11选用威海麦科电气技术有限公司生产的mv10系列变频器。

ac380v电源接入变频器7的输入端。

电机12的定子绕组设计成9个抽头可实现串并联的绕组，也就是将现有技术的一路接法改为两路接法分别引出接线头，其中一路绕组的三个首端为u1、v1、w1，三个尾端为u2、v2、w2；另一路绕组的三个首端为u3、v3、w3，三个尾端为u4、v4、w4。

如图6所示，串并联切换装置9包括开关k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7，第一路绕组的u2端通过开关k1与第二路绕组的u3端连接，第一路绕组的v2端通过开关k2与第二路绕组的v3端连接，第一路绕组的w2端通过开关k3与第二路绕组的w3端连接；第二路绕组的u4端、v4端、w4端焊接在一起。第一路绕组的u1端通过开关k4与第二路绕组的u3端连接，第一路绕组的v1端通过开关k5与第二路绕组的v3端连接，第一路绕组的w1端通过开关k6与第二路绕组的w3端连接。第一路绕组的u2端、v2端、w2端与开关k7连接。第一路绕组的三个首端为u1、v1、w1作为与变频器11三相电源输出端连接的u端、v端、w端。

当开关k1、k2、k3闭合导通，开关k4、k5、k6、k7断开时，两路绕组串联在一起，为y接法。等效电路原理图如图7所示。

当开关k1、k2、k3断开，开关k4、k5、k6、k7闭合导通时，两路绕组并联在一起，为yy接法。等效电路原理图如图8所示。

如图11所示，串并联切换装置9中的开关k1、k2、k3、k4、k5、k6可以采用双向可控硅scr1、scr2、scr3、scr4、scr5、scr6。相应的串并联控制装置可以采用单片机，每个双向可控硅的控制端分别与单片机上的相应的触发信号输出端连接。单片机的触发信号输出端与双向可控硅的控制端之间可以连接光耦隔离电路。

电机12可采用三相异步电动机，其结构特征是：机座号是160，极数是4，15kw电动机；定子铁心的外径是φ260，36槽，槽口尺寸为国家标准y2槽口尺寸；定子铁芯长度为180mm；转子铁芯外径为φ169，28槽，槽口尺寸为国家标准y2槽口尺寸；转子铁芯长度180mm；定子绕组线圈的匝数是13匝，漆包线的直径为3-φ1.06；采用两路星接，其中一路三相的尾部直接接成星点，首部引出三根引线，另一路三相的首尾分别接出引线，也就是接出六根引线，这样共计9根引线，以便进行串并联接法的改变。第一基频时接成串联星接，第二基频时接成并联星接；电机12在串联接法状态下的电机参数0如表3所示，

表3：

电机12在并联接法状态下的电机参数1如表4所示，

表4：

在进行y—yy切换时，考虑绕组铜线的电阻效应，根据设计多款高基频电机的经验，得出以下经验公式：

因为切换工作前后保证每极磁通量φ保持不变，所以φ0＝φ1；u0＝u1；n1＝78,n0＝156；

根据公式(1)，求出f1＝121.92hz，由于串并联阻值变化的影响设定f1＝125hz；

由于切换前后电机的极对数不变，所以根据n1＝n0*f1/f0求出n1＝1460*125/50＝3650。

电机12进行y—yy切换前后，保证每个绕组中导线的电流密度不变。

所以，i1＝2*i0＝2*29.8＝59.6取i1＝60；根据公式p1＝(i1/i0)*p0求出p1＝30.2，因为与国家标准电机系列30kw非常接近，所以p1取值30。

因此，将表3中的u0,p0,i0,f0,n0输入到变频器11中作为电机参数0，将表4中的u1,p1,i1,f1,n1输入到变频器11中作为电机参数1。设定变频器11为v/f控制，p10.10功能码设为1，即两线式端子控制起停模式，然后上电运行。当使电机12处于串联接法状态，此时变频器11调用电机参数0进行工作；当使电机12处于并联接法状态，此时变频器11调用电机参数1进行工作。由于电机参数0与电机参数1的额定频率(即基频)不同，额定功率也不同，额定转速也不同，额定电流也不同，从而实现了一台电机两个基频两个功率进行切换工作的效果。

在电机12处于串联接法状态，变频器11调用电机参数0在0～f0hz频率范围内进行变频调速时。而在电机12处于并联接法状态，变频器11调用电机参数1可在f0～f1～fnhz频率范围内(fn表示f1的2-4倍，也就是说基频125hz的上限变频值大约在250～500hz)进行变频调速时，可以通过以下方法控制数控机床的工作过程：

第一步，将电机12在串联接法状态下的电机参数0输入到变频器11中，将电机12在并联接法状态的电机参数1输入到变频器11中。

第二步，设定变频器11为v/f控制方式，然后上电运行。

第三步，数控机床工作时，根据加工工件的具体要求，当需要刀具低速运行时，使电机12处于串联接法状态，此时使变频器11调用电机参数0进行工作，并在0～50hz频率范围内进行调速，使电机12在0～1460r/min转速范围内运行，以满足实际工况要求。此时功率输出最大15kw，最大扭矩98n·m。

第四步，数控机床工作时，根据加工工件的具体要求，当需要刀具高速运行时，使电机12处于并联接法状态，此时使变频器11调用电机参数1进行工作，并在50～125hz频率范围内进行调速，使电机12在1460～3650r/min转速范围内运行，电机扭矩不变，但功率在逐渐变大，最大功率输出30kw，扭矩98n·m；若125hz以上调速运行，该电机则以30kw进行恒功率输出，也就是功率提高了一倍。而如果此时依旧调用电机参数0(即传统单一基准频率)在125hz工作时，最大输出功率为15kw,扭矩只有49n·m。

参考图4，上述电机系统满足了数控机床、电动车等设备低速大扭矩的要求，同时实现高速大功率工作状态。

以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以涵盖各种交流异步、同步及伺服电机的更改和变化。