一种智能制造装备用两自由度双定子开关磁阻电机及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种智能制造装备用两自由度双定子开关磁阻电机及其控制方法

【技术实现步骤摘要】
一种智能制造装备用两自由度双定子开关磁阻电机及其控制方法


[0001]本专利技术涉及一种智能制造装备用两自由度双定子开关磁阻电机拓扑结构及其控制方法，属于开关磁阻电机及其控制

。

技术介绍

[0002]两自由度开关磁阻电机由于结构简单
、
集成度高和控制性能良好的优点，在工业机器人
、
镗床
、
家用电器和纺织机械等领域具有良好的应用前景
。
现有的两自由度电机由于结构复杂以及直线部分与旋转部分之间磁路的高度耦合，难以进行解耦，增加了电机控制难度，制约了两自由度电机的应用
。
为此，我们提出了一种两自由度双定子开关磁阻电机拓扑，该电机结构紧凑，能够有效提高功率密度；同时直线单元与旋转单元之间互不耦合可以进行独立控制
。
但是由于该种电机的结构较为独特，因此本文提出了一种特定的控制方法，可以使电机单独进行直线运动
、
旋转运动以及螺旋运动
。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提出一种新型两自由度双定子开关磁阻电机及其控制方法，以解决现有两自由度电机占用体积大
、
电磁耦合严重和解耦控制困难等问题
。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提出如下技术方案：
[0005]一种新型两自由度开关磁阻电机拓扑结构，包括1个旋转单元定子
、1
个动子
、1
个直线单元定子
、
直线单元线圈和旋转单元线圈
。
直线单元定子
、
动子
、
旋转单元定子这3部分采用径向嵌套排列，旋转单元定子在内层，动子在里层，直线单元定子则在外层
。
[0006]上述技术方案中，直线单元定子由3个等距离排列的定子环组成，定子模块为
M
型凸极结构，齿数为
18。
[0007]上述技术方案中，旋转单元定子为
M
型凸极结构，齿数为
18。
[0008]上述技术方案中，动子由动子外齿
、
动子轭以及动子内齿组成，均为凸极结构
。
其中动子外齿由三组齿组成且每组齿之间互差
60
°
交错排列，动子内齿齿数为
20
且均匀排列
。
[0009]本专利技术专利提出的新型两自由度双定子开关磁阻电机的特征在于，每个直线单元定子模块中心齿上绕有电机线圈，相隔
180
°
的两个定子模块线圈串联，构成一个推力绕组，共3个，分别为
A
相推力绕组
、B
相推力绕组
、C
相推力绕组，其中
B
相绕组
、C
相绕组与
A
相绕组在空间上分别相差
60
°
和
‑
60
°
；
[0010]每个旋转单元定子模块中心齿上绕有电机线圈，相隔
180
°
的两个定子模块串联，构成一个转矩绕组，共3个分别为
D
相转矩绕组
、E
相转矩绕组
、F
相转矩绕组，其中
E
相转矩绕组
、F
相转矩绕组与
D
相转矩绕组在空间上分别相差
60
°
和
‑
60
°
。
[0011]所述的新型两自由度开关磁阻电机直线单元与旋转单元在图2中的磁路下，直线单元与旋转单元产生的磁路在动子轭相斥，使直线单元与旋转单元完全解耦，进而能够有效实现直线运动
、
旋转运动以及螺旋运动
。
[0012]所述的一种旋转运动原理为
:
以
D
相定子极与动子内齿完全重合为例，此时当
F
相通电时，依据最小磁阻原理，与
F
相定子极距离最近的动子内齿将会受到转矩力并朝着
E
相定子极进行旋转，当
F
相定子极与动子内齿完全重合时，动子受到的转矩力为0，此时
F
相断电
E
相通电，产生连续的旋转转矩，进而动子会朝着相同的方向进行旋转
。
[0013]所述的一种直线运动原理为：以
A
相定子极与动子外齿完全重合为例，此时当
B
相通电时，依据磁阻最小原理，与
B
相定子极距离最近的动子外齿将会受到推力并朝着
B
相定子极进行移动，当
B
相定子极与动子外齿完全重合时，此时动子受到的推力为0，此时
B
相断电
C
相通电
。
动子将会朝着一个方向进行直线移动
。
[0014]所述一种两自由度开关磁阻电机控制方法，其特征在于，直线单元与旋转单元之间独立控制；直线单元在于动子外齿未完全对齐时同时产生转矩分量与推力分量，在直线位置与动子外齿角度位置控制区间共同约束下，直线单元绕组轮流导通，产生转矩
T1与推力
F
；旋转单元与直线单元互不耦合，在动子内齿角度位置导通区间约束下，旋转单元绕组轮流导通，产生转矩
T2；直线单元与旋转单元产生的总推力为
F
，产生的总转矩为
T
＝
T1+T2；电机可以实现直线运动
、
旋转运动与螺旋运动的解耦控制；包括如下步骤：
[0015]步骤
A
，采集动子实时旋转机械角度位置
θ
，直线位置
x
，判别直线单元与旋转单元各相励磁状态；具体包括：步骤
A
‑1，定义
θ
＝0以及
x
＝0的动子位置，此时直线单元
A
相定子与动子外齿完全对齐，旋转单元
D
相定子与动子内齿对齐；直线单元中，动子外齿直线位置一个电周期为
75mm
，控制区间为
[0
，
75mm]；动子外齿角度位置一个电周期为
60
°
，控制区间为
[0
，
60
°
]；旋转单元中，动子内齿角度位置一个电周期为
18
°
，控制区间为
[0
，
18
°
]；步骤
A
‑2，直线单元中，当动子外齿角度与直线单元定子中心极角度差越小时，动子可以获得更大的推力分量和更小的转矩分量；设置
A
相的角度控制区间为
θ
ona
∈[0
，5°
]∪[55
°
，
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种智能制造装备用两自由度双定子开关磁阻电机拓扑结构，其特征在于：包括1个旋转单元定子
、1
个动子
、1
个直线单元定子
、
直线单元线圈和旋转单元线圈；直线单元定子
、
动子
、
旋转单元定子采用径向嵌套排列，旋转单元定子在内层，动子在中间层，直线单元定子则在外层；直线单元定子由3个等距离排列的定子环组成，定子模块为
M
型凸极结构，齿数为
18
；旋转单元定子为单个
M
型凸极结构，齿数为
18
；动子由动子外齿
、
动子轭以及动子内齿组成，均为凸极结构，其中动子外齿由三组齿组成且每组齿之间互差
60
°
交错排列，动子内齿齿数为
20
且均匀排列；每个直线单元定子模块中心齿上绕有电机线圈，相隔
180
°
的两个定子模块线圈串联，构成一个推力绕组，总共有3个推力绕组，分别为
A
相推力绕组
、B
相推力绕组和
C
相推力绕组，其中
B
相绕组
、C
相绕组与
A
相绕组在空间上分别相差
60
°
和
‑
60
°
；每个旋转单元定子模块中心齿上绕有电机线圈，相隔
180
°
的两个定子模块串联，构成一个转矩绕组，共3个转矩绕组，分别为
D
相转矩绕组
、E
相转矩绕组
、F
相转矩绕组，其中
E
相转矩绕组
、F
相转矩绕组与
D
相转矩绕组在空间上分别相差
60
°
和
‑
60
°
；直线单元与旋转单元产生的磁路在动子轭相斥，使直线单元与旋转单元完全解耦，进而能够有效实现直线运动
、
旋转运动以及螺旋运动；直线单元能够同时产生推力和转矩，旋转单元只能够产生转矩，动子上输出的推力由直线单元单独产生，动子轴上输出的转矩由直线单元和旋转单元共同产生
。2.
一种如权利要求1所述新型两自由度双定子开关磁阻电机的控制方法，其特征在于：直线单元与旋转单元之间独立控制；直线单元在动子外齿未完全对齐时同时产生转矩分量与推力分量，在直线位置与动子外齿角度位置控制区间共同约束下，直线单元绕组轮流导通，产生转矩
T1与推力
F
；旋转单元与直线单元互不耦合，在动子内齿角度位置导通区间约束下，旋转单元绕组轮流导通，产生转矩
T2；直线单元与旋转单元产生的总推力为
F
，产生的总转矩为
T
...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐帅，姜晓昌，布振帆，司纪凯，齐歌，聂瑞，王培欣，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：