一種適用于機床主軸驅(qū)動的直流無刷永磁同步電的制造方法
【專利摘要】本實用新型是一種適用于機床主軸驅(qū)動的直流無刷永磁同步電機，包括電機外殼，在電機外殼內(nèi)通過軸承架設(shè)有轉(zhuǎn)子軸，轉(zhuǎn)子軸上設(shè)置有轉(zhuǎn)子片，在轉(zhuǎn)子片外部設(shè)置有定子線圈，其特征在于：所述的轉(zhuǎn)子片上設(shè)置有永磁磁鋼，永磁磁鋼內(nèi)置在轉(zhuǎn)子片上或貼在轉(zhuǎn)子片外緣表面上，定子線圈由控制器控制其工作。本實用新型生產(chǎn)工藝先進，提高磁性能，降低磁性材料成本；省掉和伺服電機配套的位置傳感器和編碼器，工作性能更可靠，且成本也低很多；在轉(zhuǎn)子片的兩側(cè)裝有非磁性不銹鋼夾板，具有加強轉(zhuǎn)子整體的強度和平衡調(diào)節(jié)的作用；本實用新型控制轉(zhuǎn)速的精度達到0.02％，實現(xiàn)機床控制性能大幅提升，節(jié)能高效，電機體積重量減少，降低生產(chǎn)和使用成本，提高社會經(jīng)濟效益。
【專利說明】一種適用于機床主軸驅(qū)動的直流無刷永磁同步電機

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于機床主軸驅(qū)動的【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及電機，特指一種適用于機床主軸驅(qū)動的直流無刷永磁同步電機。

【背景技術(shù)】
[0002]目前國內(nèi)外市場上工業(yè)加工的低速機床，數(shù)控機床用皮帶輪驅(qū)動的主軸電機，基本上以三相異步電動機為主體的交流電機驅(qū)動系統(tǒng)，調(diào)速則以多級變速箱的齒輪調(diào)速或矢量變頻器對異步電機變頻調(diào)速方式進行為主，轉(zhuǎn)速受負載影響變化大，不能經(jīng)濟地實現(xiàn)范圍較廣的調(diào)速。在近年的數(shù)控機床上也有用編碼器配套的伺服電機調(diào)速，采用編碼器位置控機的矢量變頻伺服電機的技術(shù)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易發(fā)故障，制造成本高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本實用新型的目的在于提供一種采用直流變頻技術(shù)的無位置傳感器的無刷永磁同步電機給各類機床主軸作驅(qū)動電機，控制轉(zhuǎn)速的精度達到0.02%，實現(xiàn)機床控制性能大幅提升，節(jié)能高效，電機體積重量減少，降低生產(chǎn)和使用成本，提高社會經(jīng)濟效益。
[0004]本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的:一種適用于機床主軸驅(qū)動的直流無刷永磁同步電機，包括電機外殼，在電機外殼內(nèi)通過軸承架設(shè)有轉(zhuǎn)子軸，轉(zhuǎn)子軸上設(shè)置有轉(zhuǎn)子片，在轉(zhuǎn)子片外部設(shè)置有定子線圈，所述的轉(zhuǎn)子片上設(shè)置有永磁磁鋼，永磁磁鋼內(nèi)置在轉(zhuǎn)子片上或貼在轉(zhuǎn)子片外緣表面上，定子線圈由控制器控制其工作。
[0005]上述的永磁磁鋼呈“一”字形或者“V”字形的結(jié)構(gòu)均布在轉(zhuǎn)子片上。
[0006]上述的永磁磁鋼有四組、六組或八組。
[0007]上述的轉(zhuǎn)子片的兩側(cè)通過鉚釘連接有非磁性不銹鋼夾板。
[0008]上述的夾板上開設(shè)有供永磁磁鋼嵌入轉(zhuǎn)子片的通槽，在夾板沿外圓邊均設(shè)有若干個平衡用的螺紋孔。
[0009]上述的永磁磁鋼嵌入轉(zhuǎn)子片的通槽后用膠水粘固。
[0010]上述的定子線圈的結(jié)構(gòu)為集中式或分布式。
[0011]上述的控制器包括輸入及顯示模塊、微處理器模塊、功率驅(qū)動模塊和電源整流模塊，其中輸入及顯示模塊先將指令傳送到微處理器模塊上，微處理器模塊再控制功率驅(qū)動模塊，最后功率驅(qū)動模塊用于驅(qū)動定子線圈工作；所述的電源整流模塊為微處理器模塊、功率驅(qū)動模塊及定子線圈供電。
[0012]本實用新型相比現(xiàn)有技術(shù)突出且有益的技術(shù)效果是:
[0013]1、本實用新型生廣工藝先進，提尚Q軸電感，提尚磁性能，提尚電機加速變速性能，提高電機過載能力，降低磁性材料成本；
[0014]2、本實用新型采用的控制器控制方便又高效，適用于需要頻繁控制的各類機床，比日前普遍采用的編碼器矢量變頻的伺服電機更勝一籌，省掉和伺服電機配套的位置傳感器和編碼器，工作性能更可靠，且成本也低很多；
[0015]3、本實用新型在轉(zhuǎn)子片的兩側(cè)裝有非磁性不銹鋼夾板，可以加強轉(zhuǎn)子整體的強度，還有調(diào)節(jié)平衡方面的作用；
[0016]4、本實用新型控制轉(zhuǎn)速的精度達到0.02%，實現(xiàn)機床控制性能大幅提升，節(jié)能高效，電機體積重量減少，降低生產(chǎn)和使用成本，提高社會經(jīng)濟效益。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本實用新型電機外殼的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是本實用新型內(nèi)置“一”字形磁鋼的集中式繞組定轉(zhuǎn)子示意圖；
[0019]圖3是本實用新型內(nèi)置“一”字形磁鋼的分布式繞組定轉(zhuǎn)子示意圖；
[0020]圖4是本實用新型內(nèi)置“V”字形磁鋼的集中式繞組定轉(zhuǎn)子示意圖；
[0021]圖5是本實用新型內(nèi)置“V”字形磁鋼的分布式繞組定轉(zhuǎn)子示意圖；
[0022]圖6是本實用新型表貼式磁鋼集中式繞組定轉(zhuǎn)子示意圖；
[0023]圖7是本實用新型表貼式磁鋼分布式繞組定轉(zhuǎn)子示意圖；
[0024]圖8是本實用新型內(nèi)置“一”字形磁鋼的夾板示意圖；
[0025]圖9是本實用新型內(nèi)置“V”字形磁鋼的夾板示意圖；
[0026]圖10是本實用新型控制器的原理框圖。
[0027]圖中圖號含義:
[0028]100-電機外殼；200_轉(zhuǎn)子片；300_定子線圈；400_永磁磁鋼；500_夾板；600_鉚釘孔；700_通槽；800_控制器；900_螺紋孔。

【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖以具體實施例對本實用新型作進一步描述:
[0030]參考圖1-圖10所示，一種適用于機床主軸驅(qū)動的直流無刷永磁同步電機，包括電機外殼100，在電機外殼100內(nèi)通過軸承架設(shè)有轉(zhuǎn)子軸，轉(zhuǎn)子軸上設(shè)置有轉(zhuǎn)子片200，在轉(zhuǎn)子片200外部設(shè)置有定子線圈300，所述的轉(zhuǎn)子片200上設(shè)置有永磁磁鋼400，永磁磁鋼400內(nèi)置在轉(zhuǎn)子片200上或貼在轉(zhuǎn)子片200外緣表面上(優(yōu)選內(nèi)置式，貼在轉(zhuǎn)子片200外緣表面上叫做表貼式)，定子線圈300由控制器800控制其工作。
[0031]上述的永磁磁鋼400呈“一”字形或者“V”字形的結(jié)構(gòu)均布在轉(zhuǎn)子片200上。
[0032]上述的永磁磁鋼400有四組、六組或八組。
[0033]上述的轉(zhuǎn)子片200的兩側(cè)通過鉚釘連接有非磁性不銹鋼夾板500 (在夾板500的中部開設(shè)有若干個鉚釘孔600)。
[0034]上述的夾板500上開設(shè)有供永磁磁鋼400嵌入轉(zhuǎn)子片200的通槽700，在夾板500沿外圓邊均設(shè)有若干個平衡用的螺紋孔900 (螺紋孔900按實際需要決定分布位置和數(shù)量)O
[0035]上述的永磁磁鋼400嵌入轉(zhuǎn)子片200的通槽700后用膠水粘固。
[0036]上述的定子線圈300的結(jié)構(gòu)為集中式或分布式(優(yōu)選為集中式)。
[0037]上述的控制器800包括輸入及顯示模塊、微處理器模塊、功率驅(qū)動模塊和電源整流模塊，其中輸入及顯示模塊先將指令傳送到微處理器模塊上，微處理器模塊再控制功率驅(qū)動模塊，最后功率驅(qū)動模塊用于驅(qū)動定子線圈300工作；所述的電源整流模塊為微處理器模塊、功率驅(qū)動模塊及定子線圈300供電。
[0038]上述的微處理器模塊為DSP數(shù)字信號處理器。
[0039]本實用新型無霍爾等位置傳感器，轉(zhuǎn)子慣量小，扭矩大，和直流變頻技術(shù)的控制器配套使用后，方便實現(xiàn)機床動作快速響應(yīng)，恒轉(zhuǎn)矩，恒功率，I秒鐘正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)停止等各項機床控制優(yōu)良性能。直流無刷永磁同步電機屬于控制電機，它控制方便又高效，適用于需要頻繁控制的各類機床，比日前普遍采用的編碼器矢量變頻的伺服電機更勝一籌，省掉和伺服電機配套的位置傳感器和編碼器，工作性能更可靠，且成本也低很多。
[0040]本實用新型是機床主軸電機控制驅(qū)動技術(shù)的一大突破。
[0041]機床驅(qū)動的發(fā)展已有三步:1，三相異步電機加多級齒輪箱調(diào)速是機床最古老的方案；2，三相異步電機加矢量變頻控制器控制調(diào)速；3，有位置傳感器和編碼器，加矢量控制器的永磁交流伺服電機調(diào)速?，F(xiàn)階段，第I步基本上已淘汰，第2步和第3步方案都還在應(yīng)用。第2步方案具有恒力矩性能差，響應(yīng)速度慢，效率低等缺陷。第3步方案是日前的主流方案，它采用位置傳感器和編碼器定位工作，這個技術(shù)應(yīng)用多年，傳感器和編碼器易發(fā)故障，和本實用新型相比顯得落后。而一般車床主軸電機要求有恒轉(zhuǎn)矩，恒功率，速度能快速無級調(diào)速，快速正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，這些都是無刷永磁同步電機的強項，由于控制技術(shù)的更新進步，實現(xiàn)無位置傳感器無編碼器，又能快速精準調(diào)速，大大減少了故障機率，又降低了制造成本，和第3步方案的同步電機功能基本相同，但結(jié)構(gòu)上原理上也更為先進了。繞組線圈采用性能更優(yōu)越的集中繞組，它比起交流伺服的分布式繞組銅線更短，散熱更好，用銅量更少，損耗更低，因而效率更高。還有采用內(nèi)置磁鋼的新技術(shù)，生產(chǎn)工藝先進，提高磁性能，提高了電機變速性能，還提高了功率，降低磁性材料成本。
[0042]普通變頻器只能控制異步電機，給異步電機變頻調(diào)速開停等。直流無刷同步電機的控制器和普通的變頻器的控制原理存在區(qū)別，它是采用最新的直流變頻控制技術(shù)，控制器主要由以下四單元組成:輸入及顯示模塊、微處理器模塊、功率驅(qū)動模塊和電源整流模塊。電源整流模塊是由橋式整流，電源濾波處理和保護電路等組成，輸入及顯示模塊是輸入控制信號到微處理器模塊，檢測到的電路工作狀況也不斷的反饋給微處理器模塊，微處理器模塊再結(jié)合驅(qū)動程序，以及位置檢測及運算，負載運行狀況的比對計算，微處理器模塊綜合運算分析后，經(jīng)功率驅(qū)動模塊輸出給電機。
[0043]直流變頻技術(shù)的控制理論和矢量變頻器的控制理論方法存在區(qū)別，它控制理論采用反饋線性化控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制等理論，以及模糊控制和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等控制方法，功率范圍大，可以以恒轉(zhuǎn)矩，恒功率等各種方式工作，啟動和停止都能快速響應(yīng)，達到I秒，控制轉(zhuǎn)速的精度達到0.02%，這樣就比矢量變頻控制的異步主軸電機和矢量變頻控制的伺服電機的性能都要優(yōu)越。
[0044]因此直流無刷高速同步電機的效率比普通單相的異步電機提高效率近20%，比三相異步電機提高效率7 —12%。三相異步電機如加矢量變頻器控制后效率會更低，因此永磁同步電機的高效就更顯著。
[0045]分布式繞組和集中式繞組的線圈都接成Y形接法，電源經(jīng)直流變頻技術(shù)的泵控制器驅(qū)動，在定子線圈產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)子的磁鋼旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)過程中又不斷對電路線圈的反電動勢的大小和方向檢測來確定轉(zhuǎn)子位置，經(jīng)數(shù)字處理器的程序運算不斷調(diào)整驅(qū)動線圈的脈沖電流的頻率、電流方向及大小，使轉(zhuǎn)子按程序旋轉(zhuǎn)，磁鋼轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)始終和線圈電樞的磁場一樣旋轉(zhuǎn)，在外力少于旋轉(zhuǎn)力時都保持一樣的轉(zhuǎn)速，形成同步電機。而且這種同步電機的速度是通過控制器設(shè)定的可控的。
[0046]無刷永磁電機的工作轉(zhuǎn)速考慮工作方式是風冷，速度在機床工作的1-3000轉(zhuǎn)/分和一般的異步電機及伺服電機的轉(zhuǎn)速一樣，或按需求可以更高。
[0047]通過機床主程序指令輸?shù)娇刂破鞯南鄳?yīng)輸入端，一般速度由DClOV的模擬量控制，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止的輸入指令端也由機床主程序輸來的指令控制，這樣機床就能根據(jù)機床的控制程序進行工作。與現(xiàn)有三相異步電動機為主體的交流電機驅(qū)動系統(tǒng)，調(diào)速則以多級變速箱的齒輪調(diào)速相比或矢量變頻器對異步電機變頻調(diào)速方式相比，控制方法具有穩(wěn)定性好、快速性好、精度高的特點外，具有一系列優(yōu)點，也比采用有位置傳感器編碼器的同步無刷電機更為可靠，更為先進。
[0048]無刷永磁同步電機的控制器包括有輸入及顯示模塊、微處理器模塊、功率驅(qū)動模塊和電源整流模塊等，其中電源整流模塊是將市電經(jīng)整流濾波成直流，為變頻器提供電源。微處理器模塊接受機床指令信號，并對電機的工況高速實時檢測，經(jīng)及對各輸入信號進行分析、比較和處理，以輸出各種控制信號。功率驅(qū)動模塊受控于微處理器，用于驅(qū)動直流無刷永磁同步電機工作。
[0049]直流無刷永磁高速同步電機集中式的定子線圈的結(jié)構(gòu)與普通的三相異步電機存在區(qū)別，電機的轉(zhuǎn)子片外緣表面上表貼永磁磁鋼或在轉(zhuǎn)子片內(nèi)嵌永磁磁鋼，由于永磁同步電機相對較小，特在轉(zhuǎn)子中間設(shè)立鍵槽，防止同步電機由于高功率密度造成轉(zhuǎn)子體與軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子用于與轉(zhuǎn)軸套接。值得注意的是，本實用新型永磁磁鋼采用永磁鐵氧體，也可替換成釹鐵硼磁鋼。定子槽數(shù)為3的倍數(shù)，為了磁鋼的制作和使用方便，磁極數(shù)常取4、6、8極，線包按正弦波分布，集中式繞制線圈，定子用的材料上用冷扎矽鋼片，線圈按高速設(shè)計。在變頻器的微處理器模塊的輸入端子接入機床主程序指令，實現(xiàn)快速變速，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，剎車及快速起動等機床使用時的各項功能。
[0050]電機的工作狀態(tài)等由微處理器模塊控制功率驅(qū)動模塊，功率驅(qū)動模塊推動電機，同時將電機的時間、相位、電壓、電流等信號反饋至微處理器模塊進行處理，再控制功率驅(qū)動模塊工作。
[0051]電機的驅(qū)動軟件形式無論是開環(huán)、閉環(huán)、自適應(yīng)、模糊控制等等技術(shù)只是驅(qū)動形式的不同，都是離不開本產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，都是本產(chǎn)品權(quán)利范圍。
[0052]上述實施例僅為本實用新型的較佳實施例，并非依此限制本實用新型的保護范圍，故:凡依本實用新型的結(jié)構(gòu)、形狀、原理所做的等效變化，均應(yīng)涵蓋于本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種適用于機床主軸驅(qū)動的直流無刷永磁同步電機，包括電機外殼，在電機外殼內(nèi)通過軸承架設(shè)有轉(zhuǎn)子軸，轉(zhuǎn)子軸上設(shè)置有轉(zhuǎn)子片，在轉(zhuǎn)子片外部設(shè)置有定子線圈，其特征在于:所述的轉(zhuǎn)子片上設(shè)置有永磁磁鋼，永磁磁鋼內(nèi)置在轉(zhuǎn)子片上或貼在轉(zhuǎn)子片外緣表面上，定子線圈由控制器控制其工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流無刷永磁同步電機，其特征在于:所述的永磁磁鋼呈“一”字形或者“V”字形的結(jié)構(gòu)均布在轉(zhuǎn)子片上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直流無刷永磁同步電機，其特征在于:所述的永磁磁鋼有四組、六組或八組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流無刷永磁同步電機，其特征在于:所述的轉(zhuǎn)子片的兩側(cè)通過鉚釘連接有非磁性不銹鋼夾板。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的直流無刷永磁同步電機，其特征在于:所述的夾板上開設(shè)有供永磁磁鋼嵌入轉(zhuǎn)子片的通槽，在夾板沿外圓邊均設(shè)有若干個平衡用的螺紋孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流無刷永磁同步電機，其特征在于:所述的永磁磁鋼嵌入轉(zhuǎn)子片的通槽后用膠水粘固。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流無刷永磁同步電機，其特征在于:所述的定子線圈的結(jié)構(gòu)為集中式或分布式。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2或5所述的直流無刷永磁同步電機，其特征在于:所述的控制器包括輸入及顯示模塊、微處理器模塊、功率驅(qū)動模塊和電源整流模塊，其中輸入及顯示模塊先將指令傳送到微處理器模塊上，微處理器模塊再控制功率驅(qū)動模塊，最后功率驅(qū)動模塊用于驅(qū)動定子線圈工作；所述的電源整流模塊為微處理器模塊、功率驅(qū)動模塊及定子線圈供電。
【文檔編號】H02K1/27GK204231159SQ201420525954
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月12日
【發(fā)明者】金可友 申請人:浙江創(chuàng)美機電有限公司