車磨復(fù)合機床尾架設(shè)計

車磨復(fù)合機床尾架設(shè)計,復(fù)合,機床,架設(shè) 北京信息科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 論文 題 目 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機設(shè)計 學(xué) 院 機電 工程 學(xué) 院 專 業(yè) 機械 設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名 田宏 志 班級 學(xué)號 機械 1005 2010010145 指導(dǎo)老師 督導(dǎo)老師 楊 慶東 起止時間 2014 年 02 月 24 日 至 2014 年 06 月 12 日 摘要 I 摘 要 現(xiàn) 代加工 機械 機 床 有 多 軸聯(lián)動 發(fā) 展 趨 勢 為 加工 形 態(tài)各 異 曲 面 進行 硬 件設(shè)備支持 由 此 發(fā) 展出數(shù) 控 機 床 五 軸聯(lián)動理論 并生 產(chǎn)出 具 有高加工性能的 五 軸聯(lián)動機 床 該種 機床在 XYZ軸 聯(lián)動 的基礎(chǔ)之上 增 添 了數(shù) 控 轉(zhuǎn)臺 的 C軸 A軸 轉(zhuǎn)動 使復(fù)雜曲面 的 加工 成為可能 由 此 也擴 展 了機床的加工 范 圍 但 是 生 產(chǎn)實際中對 機 床 轉(zhuǎn)臺 C軸的運 動要求越來越高 尤其 是以 低 轉(zhuǎn)速 高精度 高轉(zhuǎn)矩 為 目標(biāo) 逐步 發(fā)展出了直 驅(qū) 式的力矩電 機轉(zhuǎn)臺 省去了傳 統(tǒng) 的 蝸輪 蝸桿 傳動 結(jié)構(gòu) 簡化轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu) 提 高 控制精度 但是輸出 轉(zhuǎn) 矩卻因結(jié)構(gòu) 很難 擴大 而 限 制了進一步提 高 為 擴大轉(zhuǎn) 臺輸出 轉(zhuǎn) 矩 提高 機床加工能力 與 此 同時 轉(zhuǎn)臺 體 積 不增 加 本文 在 原 單 轉(zhuǎn)子電機基礎(chǔ)上提出 一 種內(nèi) 轉(zhuǎn) 子電機與外轉(zhuǎn) 子 電機內(nèi)嵌復(fù)合 型 的雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機 通 過計算驗證了該 結(jié)構(gòu) 電機 輸 出力 矩 可以 在外轉(zhuǎn) 子電機 輸 出力矩 基礎(chǔ) 上 提升 80 體積 卻幾 乎不變 同 時由于 內(nèi) 外電機內(nèi)嵌式復(fù)合 使 得 原 轉(zhuǎn) 臺結(jié)構(gòu) 不再適合 新 的 設(shè)計結(jié)構(gòu) 所 以本文 進行了適應(yīng)性再設(shè)計 增 加了水冷裝置 以 利 于 散 熱 同時保持了 原 數(shù) 控轉(zhuǎn)臺的緊湊 的 特點 關(guān) 鍵詞 永 磁電 機 雙 轉(zhuǎn)子 數(shù) 控轉(zhuǎn)臺 直接驅(qū) 動 Abstract II Abstract Modern mechanical processing requires multi axis machine tools to provide hardware devices support for the processing of complex surfaces Thereby the theory of five axis CNC machine tools was developed and five axis machine tools with high processing performance was produced However on the actual production the requirement for motion of the C axis of rotary table is becoming increasingly high Especially when low speed high precision high torque are the goal people gradually develop a direct drive rotary table motor torque which eliminates the traditional worm gear structure and simplifies the rotary table structure And control accuracy is improved However because structure is difficult to expand the output torque is limited to improve further The paper on the basis of the original single rotor motor presents a dual rotor permanent magnet synchronous torque motor in order to further expand output torque of the rotary table improve machining capabilities while not increase the volume of rotary table The inner rotor motor is embedded into the outer rotor motor By calculation the paper verifies that output torque of the motor is 180 of the output torque of the outer rotor motor And volume of the rotary table is almost unchanged And because the external rotor motor rotor motor is embedded in the original rotary table structure is no longer fit the new design So this paper has been re designed And in order to facilitate heat dissipation the cooling device is increased While the compact characteristic of the original CNC rotary table is maintained Key words Permanent Magnet Torque Motor Dual Rotor NC Rotary Table Direct Drive 目 錄 III 目 錄 摘 要 I Abstract II 主要符號表 V 第一章 緒論 1 1 1 本課題來源 1 1 2 本課題意義 1 1 3 數(shù)控轉(zhuǎn)臺發(fā)展現(xiàn)狀 1 1 3 1 蝸輪副傳動數(shù)控轉(zhuǎn)臺 2 1 3 2 齒盤分度定位的等分?jǐn)?shù)控轉(zhuǎn)臺 2 1 3 3 凸輪結(jié)構(gòu)驅(qū)動的數(shù)控轉(zhuǎn)臺 2 1 3 4 力矩電動機直接驅(qū)動的數(shù)控轉(zhuǎn)臺 2 1 4 永磁電機研究發(fā)展現(xiàn)狀 3 1 4 1 永磁體研究現(xiàn)狀 3 1 4 2 永磁電機發(fā)展現(xiàn)狀 3 1 4 3 雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機研究現(xiàn)狀 3 1 5 本課題目的 4 1 6 本文采用 的研究計算方法 4 1 7 研究內(nèi)容 4 1 7 1 本課題研究方向 4 1 7 2 本課題研究內(nèi)容 4 1 7 3 系統(tǒng)功能 5 第二章 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機結(jié)構(gòu)和原理 6 2 1 徑向磁通永磁同步電動機 6 2 1 1 外置式永磁同步電機 6 2 1 2 內(nèi)置式永磁同步電機 7 2 2定子結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 2 3雙轉(zhuǎn)子徑向磁通永磁同步電機基本結(jié)構(gòu) 8 2 4雙轉(zhuǎn)子徑向磁通永磁同步力矩電機工作原理及特點 8 2 4 1雙轉(zhuǎn)子徑向磁通永磁同步力矩電機工作原理 8 2 4 2雙轉(zhuǎn)子徑向磁通永磁同步力矩電機特點 8 2 5 由雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機驅(qū)動的數(shù)控轉(zhuǎn)臺基本結(jié)構(gòu) 9 2 6本章小結(jié) 9 第三章 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機方案設(shè)計 10 3 1 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機應(yīng)用背景說明 10 3 2 電機基本結(jié)構(gòu)設(shè)計 10 3 2 1 電機主體尺寸設(shè)計 10 3 2 2額定數(shù)據(jù)和技術(shù)要求 10 3 2 3 氣隙長度 11 3 2 4 永磁體尺寸設(shè)計 11 目 錄 IV 3 2 5 外定子尺寸設(shè)計 13 3 2 6 水槽結(jié)構(gòu)設(shè)計 13 3 2 7 內(nèi)定子尺寸 設(shè)計 14 3 3 定子槽型設(shè)計 14 3 3 1 極槽配合的選擇 14 3 3 2 外轉(zhuǎn)子表貼式永磁同步電機定子結(jié)構(gòu)設(shè)計 16 3 3 3 內(nèi)轉(zhuǎn)子表貼式永磁同步電機定子結(jié)構(gòu)設(shè)計 16 3 4繞組設(shè)計 17 3 5 磁通密度分析 20 3 5 1 氣隙磁通密度 20 3 5 2 齒部磁通密度 21 3 5 3計算電機最大輸出轉(zhuǎn)矩 22 3 6 本章小結(jié) 23 第四章 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機有限元分析 24 4 1 電磁場數(shù)值分析理論基礎(chǔ) 24 4 2 電機部分性能有限元仿真分析 24 4 2 1 建模 24 4 2 2 求解 25 4 2 3 計算結(jié)果分析 25 4 3 本章小結(jié) 26 第五章 電機應(yīng)用實例 數(shù)控轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 27 5 1 轉(zhuǎn)臺總體設(shè)計要求 27 5 2 轉(zhuǎn)臺軸承以及定心軸軸承的選擇和安裝 27 5 3 氣動鉗夾的選用 28 5 4 光柵的選用 29 5 5 轉(zhuǎn)臺裝配結(jié)構(gòu) 30 5 6 本章小結(jié) 32 第六章 結(jié)論 33 6 1 論文所做工作 33 6 2 后緒工作 33 結(jié)束語 34 參考文獻(xiàn) 35 主 要符號表 V 主 要符號表 a 并 聯(lián)支路數(shù) efA 槽 有效面積 iA 槽 絕緣面積 mA 永 磁體每極磁通截面積 sA 槽 面積 tB 齒 部 磁 通密度 1bo 槽口 寬 度 1oh 槽 口高度 0b 永 磁體空載工作點 0 空 載 漏 磁系數(shù) tb 齒 寬 1mb 外 電 機永磁體貼片 寬 度 2mb 內(nèi)電 機永磁體貼片 寬 度 1mh 外永磁體貼片 厚 度 2mh 內(nèi) 外永磁體貼片 厚 度 D 轉(zhuǎn) 臺 的 外徑 11D 外 定子 外徑 12D 外 定子內(nèi)徑 21D 內(nèi)定 子 外 徑 22D 內(nèi) 定 子 內(nèi)徑 0E 空 載電動勢 dK 集 中繞組 分 布因數(shù) pK 電 機 短 矩因數(shù) skK 斜槽因 數(shù) K 氣 隙 磁 通波 形 系數(shù) L 電樞 長度 efL 電 樞計算長度 FeK 鐵 心 疊 壓系數(shù) 1N 每 相串聯(lián)匝數(shù) sN 每槽導(dǎo)體 數(shù) 1tN 并 繞根數(shù) n 轉(zhuǎn) 速 f 頻率 p 極 對 數(shù) q 每極每相槽 Q 定 子槽數(shù) meT 電磁 轉(zhuǎn)矩 t 齒 距 NlU 額定端電 壓 NU 額定 相 電壓 dX 直 軸同步 電抗 qX 交 軸同步電抗 m 相 數(shù) 氣 隙長度 1 外 電機 氣 隙長度 2 內(nèi) 電機氣隙長度 1s 外 轉(zhuǎn) 子 極 距 2s 內(nèi) 轉(zhuǎn)子極距 B 氣隙磁通密度 rB 剩磁 密度 r 永磁體材料相對回復(fù)磁導(dǎo)率 i 計算 極弧系數(shù) P 極 弧 系數(shù) 0 空 載主磁通 fS 槽 滿率 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機設(shè)計 1 第一章 緒 論 1 1 本課題來源 北京信息科技大學(xué)直驅(qū)功能部件研發(fā)實驗室建設(shè)項目 北京市教委 機械工程產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合研究生培養(yǎng)基地 項目 項目代碼為 PXM2013 014224 000041 1 2 本課題意義 隨著我國民用和軍事工業(yè)的快速發(fā)展 制造業(yè)的前沿領(lǐng)域被不斷開拓 人們對數(shù)控加工中心的需求也在 不斷提高 尤其是對多軸聯(lián)動的數(shù)控加工中心 數(shù)控轉(zhuǎn)臺是多軸聯(lián)動數(shù)控機床的主體 部件之一 它在 機床行 業(yè)中發(fā)揮的作用也越來越重要 1 而數(shù)控轉(zhuǎn)臺的核心是電機 在電機領(lǐng)域 提高效 率的一種重要途徑是利用永磁電機代替感應(yīng)電機 按照 永磁材料類型 永磁電機主要分成 釹鐵硼 型 永磁電機和鐵氧體 型 永磁電機兩種 鐵氧體永磁材料價格低廉 但磁性能較差 所以該種永磁電機具有相對較低的效率和轉(zhuǎn)矩密度 釹鐵硼材料 的 磁性能 優(yōu) 異 而且最近幾 年隨著技術(shù)的發(fā)展稀土永磁材料 的 性能不斷 提升 而且釹鐵硼永磁材料 的成本已 降低 很 多 由 此該種電機 愈 來 愈 廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)一線 提升電機 效率 及 轉(zhuǎn)矩密度 并逐步 發(fā) 展 大容量 已成為釹鐵硼永磁電機研究的 一個重要課題 1 3 數(shù)控轉(zhuǎn)臺發(fā)展現(xiàn)狀 數(shù)控轉(zhuǎn)臺是一關(guān)鍵機床附件 是 機床上 至關(guān) 重要的 部件之一 其 應(yīng)用 是 為 了 機床 能夠 進行 C 軸 回轉(zhuǎn) 加 工 如 圖 1 1 所示 通過 C 軸 A 軸驅(qū)動轉(zhuǎn)臺完成 斷 續(xù) 或連續(xù)的 加工 任務(wù) 使客戶 得到 滿意的曲面加工產(chǎn) 品 擴大 加工范圍 2 近 年 我國國產(chǎn)數(shù)控機床向 高速 高效 高精 度 柔性化 環(huán) 保 化 方面飛 速 發(fā)展 數(shù) 控轉(zhuǎn)臺的 用戶 也 提出了高更的需求 圖 1 1 雙轉(zhuǎn)臺五軸機床的基本結(jié)構(gòu) 圖 1 1中 A 向轉(zhuǎn)軸安裝在 X 向溜板上 圍繞 X 向軸線擺動 C 向轉(zhuǎn)臺安裝在 A 向轉(zhuǎn)臺上 在機床初 始狀態(tài)下 圍繞 Z 向軸線轉(zhuǎn)動 工件安裝在 C 向轉(zhuǎn)臺上 3 現(xiàn)在市場上主要數(shù)控轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)如 表 1 1所示 2 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機設(shè)計 2 表 1 1 現(xiàn)在市場上主要數(shù)控轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)特點 分度定位方式 最小分度 鎖緊方式 分度精 度 蝸 輪 副 傳 動 伺 服 電 動 機 0 001 液壓 氣壓 15 40 至 端 齒 盤 等 分 分 度 端 齒 盤 1 液壓 氣壓 2 凸 輪 等 分 分 度 分 度 凸 輪 60 90 機械 液壓 5 力 矩 電 動 機 直 接 驅(qū) 動 力 矩 電 動 機 0 001 液壓 氣壓 1 3 1 蝸輪副傳動數(shù)控轉(zhuǎn)臺 蝸輪副傳動是數(shù)控轉(zhuǎn)臺主要的結(jié)構(gòu)形式 在市場上應(yīng)用廣泛 這種轉(zhuǎn)臺的優(yōu)點是可以任意分度 使用范 圍廣 結(jié)構(gòu)簡單 缺點是 蝸輪副制造水平要求高 精度 載重性能 精度保持性能一般 蝸輪蝸桿的配合精 度 耐用度以及可調(diào)性能 決定了轉(zhuǎn)臺的品質(zhì) 國內(nèi)外此類產(chǎn)品的差距具體體現(xiàn)在蝸輪副的選材 制造精度 熱處理水平和調(diào)整結(jié)構(gòu)上 1 3 2 齒盤分度定位的等分?jǐn)?shù)控轉(zhuǎn)臺 該轉(zhuǎn)臺的優(yōu) 勢 是 載重大 重復(fù)定位精度高 定位剛度好 精度保持性能好 缺點在 于 不能任意角度 分度 只能按端齒盤齒數(shù)進行等分角度的分度 端 齒盤制造精度要求很高等 等分?jǐn)?shù)控轉(zhuǎn)臺的關(guān)鍵部件是端 齒盤 端齒盤的分度精度直接決定了數(shù)控轉(zhuǎn)臺的精度 2 1 3 3 凸輪結(jié)構(gòu)驅(qū)動的數(shù)控轉(zhuǎn)臺 采用弧面凸輪分度機構(gòu)或者平面分度凸輪進行分度 機械鎖緊 普通電動機驅(qū)動 實現(xiàn)固定角度等分分 度 優(yōu)點是 剛性好 分度速度快 負(fù)荷大 使用普通電動機替代了高價的伺服電動機 在 控制上 價格上 維護上有很大優(yōu)越性 缺點是 凸輪分度機構(gòu)的加工制造要求高 加工設(shè)備專業(yè)化程度高 需要由專業(yè)制造 廠家提供 1 3 4 力矩電動機直接驅(qū)動的數(shù)控轉(zhuǎn)臺 這種電機的軸不是以恒功率輸出動力而是以恒力矩輸出動力 力矩電機包括 交流力矩電機 直流力矩 電機 和無刷直流力矩電機 具有 線性度好 大扭矩 過載能力強 響應(yīng)快 力矩波動小 低轉(zhuǎn)速 等特點 直接驅(qū)動負(fù)載 減小傳動部分 提高 系統(tǒng)的運行精度 但是因為取消了機械傳動設(shè)備 所以這就要求轉(zhuǎn)臺電機 自身能夠產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩 不過對于單轉(zhuǎn)子力矩電機若要輸出大轉(zhuǎn)矩 就只能增大氣隙面積 故而增大了電 機的體積 現(xiàn)代數(shù)控轉(zhuǎn)臺要高轉(zhuǎn)矩 高精度 高調(diào)速比 極 致是 零速定位 不僅如此 還要有高的靜態(tài)剛度和動態(tài) 剛度 當(dāng)需要低速高轉(zhuǎn)矩時 感應(yīng)電機 要同 變速箱結(jié)合在一起 變速箱 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 造價高 需維修 降低了系 統(tǒng)效率 而且感應(yīng)電機有 著 功率因數(shù)低 調(diào)速特性較差 等缺點 所以 要用同步電機 并且要省去變速箱等 中間傳動機構(gòu) 這 便是直 驅(qū) 永磁同步電機 沒有 了 蝸輪蝸桿 機械傳動 力矩電動機定子固定于轉(zhuǎn)臺 殼體 上 轉(zhuǎn)臺的臺面與力矩電動機的轉(zhuǎn)子相連 借 助 力矩電動機直驅(qū)轉(zhuǎn)臺 臺面作分度運動 便構(gòu)成了力矩電動機轉(zhuǎn) 臺 4 從結(jié)構(gòu)上講 力矩電動機轉(zhuǎn)臺縮短 傳動鏈 從而減少了由 傳動剛性 制造誤差 安裝誤差等 引起 的 不利 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機設(shè)計 3 影響 并且對閉環(huán)轉(zhuǎn)臺來講有利于 回轉(zhuǎn)部分 連接旋 轉(zhuǎn) 編碼器或角度編碼器 5 1 4 永磁電機研究發(fā)展現(xiàn)狀 1 4 1 永磁體研究現(xiàn)狀 1983年 第三代 稀土永磁材料 釹鐵硼由日本會津大學(xué) H Sagawa教授 用粉末冶金法制備出來 最大 磁能積達(dá)到 3288KJ m 釹鐵硼 磁 能積及 矯力 極 高 且 有高能量密度 長處 最近幾年隨著稀土永磁材料性 能的不斷提高 一些永磁材料也被應(yīng)用到電機制造領(lǐng)域 使得永磁電機得到快速發(fā) 展 而且隨著技術(shù)的發(fā)展 釹鐵硼永磁材料成本已大大降低 所以該 永 磁 材料 于 現(xiàn)代工業(yè)以 及 電子技術(shù)中 廣泛應(yīng)用 1 4 2 永磁電機發(fā)展現(xiàn)狀 永磁電動機由于采用永磁體勵磁 永磁同步電動機不再用勵磁繞組和直流勵磁電源 沒有了易出問題 的 集電環(huán)和電刷裝置 成為無刷電機 大大減小了電機本身的機械結(jié)構(gòu) 故而其結(jié)構(gòu)更為簡單 運行更為可靠 在效率提高方面具有非常大的潛能 a渦 輪 渦 桿 傳 動 型 b力 矩 電 機 型 圖 1 2 不同型式轉(zhuǎn)臺 本課題主要討論研究如 圖 1 2 b 所示的旋轉(zhuǎn)力矩電機 在當(dāng) 代 國際數(shù)控轉(zhuǎn)臺市場上 主要有 美國 德國 日本 等幾個公司品牌 高級 市場幾乎沒有國產(chǎn)品牌 2007年 4月北京國際機床展覽會上 FANUC CYTEC SIMENS等公司均有相應(yīng)的力矩電機產(chǎn)品展出 瑞士 ETEL 公司 德國 REXROTH 美國 KOLLMORGEN 等公司均推出各自直驅(qū) 轉(zhuǎn)臺力矩電機 4 但 是國內(nèi)直接驅(qū)動力矩電機 數(shù)控轉(zhuǎn)臺的研究技術(shù)還處于初級階段 高級數(shù)控轉(zhuǎn)臺采用永磁同步電機的直驅(qū)技術(shù) 具有時間常數(shù)小 損耗 低 反應(yīng)快等特點 面 貼式永磁電機其徑向電樞反應(yīng)較小 等效氣隙較大 電流電壓波形畸變率 和磁場波形 較小 振動噪聲 性能優(yōu)良 故本 文選用面 貼式永磁電機 1 4 3 雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機研究現(xiàn)狀 雙轉(zhuǎn)子永磁環(huán)形力矩電機采用永磁徑向充磁 磁場垂直于轉(zhuǎn)軸 這種 新型電機 最先由國外的 Thomas A Lipo 等人提出 并進 行了 理論 研究 和實驗研究 2003 年起 我國 華中科技大學(xué)電氣學(xué)院 曲榮海 教授 同 Thomas A Lipo院士一起進行雙轉(zhuǎn)子永磁環(huán)形力矩電機 研究 并在 IEEE發(fā)表了研究論文 6 7 8 但現(xiàn)在 僅停 留在初步理論和樣機實驗階段 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機設(shè)計 4 1 5 本課題目的 本課題著眼于當(dāng)前數(shù)控機床發(fā)展前沿 對多軸聯(lián)動數(shù)控機床的關(guān)鍵部件 數(shù)控轉(zhuǎn)臺進行更深層次研 究設(shè)計 緊跟數(shù)控機床時代發(fā)展要求 設(shè)計出雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機這種徑向磁通內(nèi)外復(fù)合的新型力矩 電機 以用于提供加工所需的大的轉(zhuǎn)矩 并進行進一步的電磁分析 以用于調(diào)節(jié)內(nèi)外轉(zhuǎn)子的齒槽轉(zhuǎn)矩 爭取 更大程度的減小電機的轉(zhuǎn)矩波動 提供相較于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺更高的穩(wěn)定性和精度 為數(shù)控轉(zhuǎn)臺進一步發(fā)展提供 一些理論指導(dǎo) 電 機 有外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子兩類 但是 只有一個轉(zhuǎn)子 的力矩電機通 過 提高電機 外徑 來提 高電機的轉(zhuǎn)矩 數(shù) 控機床的操作空間是有限的 因此 本文提出并研究了一種雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機 可 以 提供 高轉(zhuǎn)矩密度 在 外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)臺電機內(nèi) 部 內(nèi) 嵌 內(nèi)轉(zhuǎn)子 電 機 構(gòu)成 雙轉(zhuǎn)子 電機 結(jié)構(gòu) 借此 在電機體積不變的情況下 提高電機氣 隙的有效面積 提高電機 轉(zhuǎn)矩 使電機具有較高的轉(zhuǎn)矩密度 9 1 6 本文 采用的研究計算 方法 現(xiàn) 存的 分 析電機 磁場的 方法 有 兩大 類 一類 是傳統(tǒng)的電機磁路計算 另一類 是現(xiàn) 下 應(yīng)用廣泛 的 電機 磁場 數(shù)值計算方法 由 于永磁電機 轉(zhuǎn) 子永磁貼片的存在 相較 于 傳 統(tǒng)感 應(yīng)電機 磁路 更加復(fù)雜 為達(dá)到 工 程 要 求的計算精度 需要諸多修正因數(shù) 使 計算 效率下 降 精 度 提 高困難 而 后者 由于計算機技術(shù) 的 不斷發(fā)展 數(shù)值計算方法 更 為廣泛地應(yīng)用于工程設(shè)計中 不 僅 高效 而 且 借助于計算機 強 大的分析 計算 能力 傳統(tǒng)磁路 法中 部 分理想 化處理的部分 可 以 更貼 近實際地展開計算 使得精度大幅提高 而 效率 也 進一步提 升 數(shù) 值計算法中 最常 用的是有限差分法和有限元法 以泰勒級數(shù)展開法為基礎(chǔ)的有限差分法 用網(wǎng) 格 節(jié)點上函數(shù) 值 差商離散替控制方程中 的導(dǎo)數(shù) 該方法 直 接將微分問題變 成 代數(shù)問題 來求近似數(shù)值 基于變分原理的有限元法和加權(quán)余量法 求解計算域的基本思路是將 其 分成有限個獨立單元 每個單 元 選擇合適的節(jié)點進 行 插值 將變 量 改寫 入 一個插值函數(shù)的線性表達(dá)式 來離散 求解微分方程 本 文 選 用有限元法 其 在 工 程 領(lǐng)域被 廣泛應(yīng)用 可靠 性已得到證 可 而 且 有 ABAKUS ANSYS等多 種有限 元計算 仿真軟件 可用 于研究計算 本 文 選 用 ANSYS軟 件下的 專用 于電磁場 分析 的 ANSOFT組 件 進 行 電 機轉(zhuǎn)矩 電機 氣 隙 磁場的分析 計算 1 7 研究內(nèi)容 1 7 1 本課題研究方向 本課題研究方向即是在外轉(zhuǎn)子永磁同步電機的基礎(chǔ)上 設(shè)計增加內(nèi)轉(zhuǎn)子 與外轉(zhuǎn)子同角速度轉(zhuǎn)動 共同 帶動數(shù)控機床轉(zhuǎn)臺穩(wěn)定轉(zhuǎn)動 以提供穩(wěn)定的大扭矩的 C軸轉(zhuǎn)動 使多軸 聯(lián)動數(shù)控機床性能得到進一步提升 1 7 2 本課題研究內(nèi)容 依據(jù)當(dāng) 前 國內(nèi)外永磁同步電機的研究 近 況 在前人研究的基礎(chǔ)上 將徑向磁場永磁環(huán)形力矩電機設(shè)計 為雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 以達(dá)到不 變 體積 增 大 力矩的目的 本文 定為雙轉(zhuǎn)子徑向磁場永磁環(huán)形力矩電機研究與設(shè) 計 本文 主要的研究內(nèi)容如下 1 對雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機的基本結(jié)構(gòu)及運行原理 作了簡要的介紹 結(jié)合其工作原理給出了這種 電機的 一些 分析方法 再對該電機的優(yōu)缺點進一步的說明 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機設(shè)計 5 2 確定電機的主要尺寸和基本結(jié)構(gòu) 以及二維 三維機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 進行電機電磁設(shè)計 建立 雙轉(zhuǎn)子永磁電機的磁路模型 對電機極數(shù)和槽數(shù)的選擇進行細(xì)致討論 并確定繞線方式 4 考慮電機的冷卻方式 進行冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計 5 在磁場仿真分析中 利用 Ansoft有限元分析方法 6 完成工程圖的生成 電磁設(shè)計報告的生成 1 7 3 系統(tǒng)功能 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機通過在外轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機基礎(chǔ)上設(shè)計成與內(nèi)轉(zhuǎn)子復(fù)合的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 與轉(zhuǎn)臺結(jié)合同方向同角速度運行 以提供比單一轉(zhuǎn)子更大的轉(zhuǎn)矩 同時試圖通過兩轉(zhuǎn)子的相互影響 優(yōu)化 轉(zhuǎn)臺的運行穩(wěn)定性 減小電機的轉(zhuǎn)矩波動 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機設(shè)計 6 第 二 章 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機 結(jié)構(gòu)和原理 2 1 徑 向磁通 永磁同步 電 動 機 永 磁同 步 電機類別十分廣泛 根據(jù) 本課 題 的 研究 需 要 將 電機 設(shè)計 方向選 定為徑向 磁 通的雙轉(zhuǎn)子 永 磁 同 步力矩電機 的 設(shè)計 故 針對 徑 向磁通 對內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子 永磁同步 電動 機 進 行詳盡闡 述 并 對 比 面 貼式與內(nèi) 置式電機優(yōu)缺點 詳盡闡 述 本文 在 設(shè)計電機 方面 的 取 舍與思路 圖 2 1 永 磁交流 電 機分類 10 2 1 1 外置 式 永磁同步電機 圖 2 2 外置 式永磁同步電機 永 磁體安裝位置 外置 式永磁同步電機 的永 磁體 在 轉(zhuǎn)子上的位置 有如 圖 2 2所示的面貼式和內(nèi)插 式 兩種方式 面 貼式的 電機中 永磁體 呈瓦 片 狀貼 在轉(zhuǎn)子表面 而 內(nèi)插 式 則是 將 瓦片狀的 永 磁 體 嵌入到轉(zhuǎn)子中 面貼式永磁同步電機有以 下三個特點 1 永磁鐵固定在轉(zhuǎn)子鐵心表面 轉(zhuǎn)子速度低 2 較 大的 有效 的 氣隙 長 度 較小 的 同步電抗 較小 的 電樞反應(yīng) 3 氣隙均勻 呈現(xiàn)隱極式同步電機的特點 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機設(shè)計 7 內(nèi)插式 永磁同步電機則 有以下特點 1 呈現(xiàn) 凸極式同步電機的特點 2 動態(tài)性能好 3 漏磁 大 4 成本相 較于面貼式 永 磁同步電機要 高 2 1 2 內(nèi) 置 式永磁同步電機 圖 2 3 內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 10 內(nèi)置式永磁同步電機 呈現(xiàn) 凸極式同步電機的特點 1 永久磁鐵牢牢地嵌在轉(zhuǎn)子鐵芯 適合高速運行 2 有效的空氣間隙小 d 軸和 q軸同步電抗大 電樞反應(yīng)磁勢大 所以有相當(dāng)大的弱磁性的空間 3 直軸有效氣隙比交軸大 一般為直軸的有效的空氣間隙是交軸多 倍 因此 直軸同步電抗 小 于交軸同步電抗 即 dqXX 2 2 定子 結(jié)構(gòu) 設(shè)計 對 于 定子結(jié)構(gòu) 設(shè)計 徑向磁通 的 永磁同步電機 齒 槽形狀是 同樣的 接 下來闡述 定子尺寸參 具體計算 過 程 a 梨 形 槽 b 梯 形槽 c 半 開口槽 d 開 口槽 圖 2 4 電機定 子最常采用的槽形 梨 形 槽和梯 形槽 屬 于半閉口槽 槽底部寬于頂部 常用于 功 率 100kW 以 下 電壓 500V 以 下電 動 機中 半 開 口槽用 于分開的成型繞組 而 開 口 槽用于高壓 3000V 電動 機 所 以 本 文選 用 半閉口槽 梨形槽的 槽面積利用率高 沖模壽命長 被廣泛 用于電機定子 設(shè)計 梯 形槽 可 認(rèn)為是一種簡化的梨形槽 為了 保 證電 機性能 本 文選 用 梨形槽 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機設(shè)計 8 2 3 雙 轉(zhuǎn)子 徑 向磁通 永磁 同 步 電機 基本 結(jié)構(gòu) 圖 2 5 雙 轉(zhuǎn)子 徑 向磁通永磁 同步 電機 整體 結(jié)構(gòu) 圖 如 圖 2 5 所 示為本文所設(shè)計的 電 機的主體結(jié)構(gòu) 其內(nèi) 外轉(zhuǎn)子通過內(nèi)六角螺釘連接 共 同為轉(zhuǎn)臺 工 作提 供轉(zhuǎn)矩 輸 出 因 受轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu) 整 體設(shè)計 影響 所 以外轉(zhuǎn)子 有 更多附加結(jié)構(gòu) 以 定位 安裝其他轉(zhuǎn)臺 設(shè) 備 而 氣隙 長 度的保證在于轉(zhuǎn)臺 軸 承 轉(zhuǎn)臺 軸 承保 證轉(zhuǎn) 臺臺面 電 機轉(zhuǎn)子總成 與 轉(zhuǎn)臺底座 有 非常高的同心度 而 定子結(jié) 構(gòu)就是安裝在轉(zhuǎn)臺底座上 保 證 穩(wěn)定性 圖 2 6 雙 轉(zhuǎn)子 徑 向磁通永磁 同步 電機 內(nèi) 外 定 子結(jié)構(gòu)圖 本文所 設(shè)計的 雙 轉(zhuǎn)子 徑 向磁通永磁 同步 電機 定 子 結(jié)構(gòu) 如 圖 2 6 所 示 其 中 包括了內(nèi) 電 子的內(nèi) 定 子 和 外 電機的外 定 子 由 于雙轉(zhuǎn)子電機發(fā)熱 量 較之原 單 轉(zhuǎn) 子 電機有 大 幅提升 所 以將原 單 轉(zhuǎn)子電機的 風(fēng)冷 原理 拋 棄 改之以水冷 原理 提高冷卻效 率 2 4 雙 轉(zhuǎn)子 徑 向磁通永磁 同步力 矩電機 工 作原理 及 特點 2 4 1 雙 轉(zhuǎn)子 徑 向磁通永磁 同步 力 矩 電機 工 作原理 本文 所設(shè)計的 雙 轉(zhuǎn)子 永磁 同步力 矩電機 是 由內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁 同步力 矩電機 和 外轉(zhuǎn)子永磁 同步力 矩電機 復(fù) 合 而成的 可 以 形 象地描述為 套環(huán) 即外轉(zhuǎn)子 電 機完全 將 內(nèi)轉(zhuǎn)子電機套在其中 也就 是 嵌套 兩 者獨立 操作 但 完全對稱 因 為 中 心對稱 結(jié)構(gòu) 所以可以保證轉(zhuǎn)子的同角速度運轉(zhuǎn) 以 免因為內(nèi)外轉(zhuǎn)子的角 速度 不 同 導(dǎo) 致輸出轉(zhuǎn)矩的內(nèi)耗 它們的 轉(zhuǎn) 子由螺釘 連接 共同驅(qū)動轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn) 動 以保證 數(shù)控 機床加工時 C軸足 夠的 力矩 輸出 2 4 2 雙 轉(zhuǎn)子 徑 向磁通永磁 同步 力矩 電機特點 內(nèi) 外轉(zhuǎn)子 以拱 門式結(jié)構(gòu) 通 過 螺釘 進行連接 并保證同角速度旋轉(zhuǎn) 共同提供 轉(zhuǎn) 臺工作轉(zhuǎn)矩 這 種結(jié)構(gòu) 充 外定子 冷卻 水 槽 內(nèi) 定子 外 轉(zhuǎn)子 外 圈永磁 體 內(nèi) 圈永磁體 內(nèi) 轉(zhuǎn)子 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機設(shè)計 9 分 利 用 了外 轉(zhuǎn)子電機 閑 置的內(nèi)部空間 獲得 了 雙層氣隙 大 大提高了有效氣隙 面 積 由此 提 高了轉(zhuǎn)矩密度 1 如 果 還 是與之前單個外轉(zhuǎn)子 電 機 輸出 同樣的 轉(zhuǎn) 矩 則該 雙 轉(zhuǎn)子電機 理 論上會有更小的電機結(jié)構(gòu) 尺寸 2 如果 與之前單個外轉(zhuǎn)子 電 機 具有 相同尺寸 將 該 電機將 會 輸出 更大的 驅(qū) 動轉(zhuǎn) 矩 2 5 由雙 轉(zhuǎn)子 永 磁同步力矩電機 驅(qū) 動 的 數(shù)控 轉(zhuǎn) 臺基本結(jié)構(gòu) 由 于本 課 題 研究 的是直驅(qū)原理在數(shù)控加工中的應(yīng)用 進而 將 研 究 方向 細(xì)化為 在 現(xiàn)有單 轉(zhuǎn)子 力矩 電機 驅(qū) 動 轉(zhuǎn)臺 的 基礎(chǔ)上設(shè) 計 開發(fā)雙轉(zhuǎn)子 永 磁力矩電機 并進而驅(qū)動轉(zhuǎn)臺工 作 所 以本文選 取 現(xiàn)有產(chǎn)品進行 復(fù)合 內(nèi) 轉(zhuǎn) 子電機設(shè)計 轉(zhuǎn) 臺完整裝配圖如下圖所 示 該 結(jié)構(gòu)的原 型 參照是 西 泰克公司 Cyturn品牌下 的 CRT 500 H型力矩 電機 轉(zhuǎn) 臺 轉(zhuǎn) 臺 的 外徑 500D mm 高度 H 225mm 因 為對電機進行重新設(shè)計 改 造成雙轉(zhuǎn)子 永 磁 同 步電 機 不 僅內(nèi)嵌了內(nèi)轉(zhuǎn)子電機 而 且 充 分考慮發(fā)熱問題 將 原電機 的 風(fēng) 冷設(shè)計拋棄 改用結(jié)構(gòu)較 為復(fù)雜 但 冷卻 效果明顯的水冷 設(shè)備 所以其內(nèi)部結(jié)構(gòu) 已 與原電機大不相同 圖 2 7 Cyturn 力矩 電機 轉(zhuǎn) 臺 2 6 本 章小結(jié) 本 章 是 對 本文 所設(shè)計的 雙 轉(zhuǎn) 子 永磁同步力矩電機 的 類屬進行 詳盡 的闡述 從 層層類別劃分 上 的 逐步 細(xì) 化 可以很 清晰 地整體的把握 該電機的 運 行 原理 同 時也 說 明了該 類 型電機的 發(fā) 展 脈 絡(luò) 有助于后續(xù)的進一 步設(shè)計 講解 此 外 針 對 電機 設(shè)計的背景 對所 設(shè)計的電機 的 應(yīng)用 場合 即 轉(zhuǎn)臺 進行了整體 結(jié)構(gòu) 展 示 以 期能夠?qū)⒈?文 的兩大 部 分 即 雙 轉(zhuǎn)子永磁力矩電機設(shè)計和 數(shù) 控 復(fù) 合式力矩電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)臺進 行 整 體的 概述 使文章使具層次感 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機設(shè)計 10 第 三章 雙 轉(zhuǎn)子永磁 同步力矩 電機方案設(shè)計 3 1 雙 轉(zhuǎn)子永磁 同步力矩 電機 應(yīng)用 背景 說明 雙 轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機 是 在 單 轉(zhuǎn)子同步力矩電機的基礎(chǔ) 上 以復(fù)合 式 力矩電機設(shè)計為指導(dǎo)思 想 進行 內(nèi)外 電機 復(fù)合而 最終 確定的 電機 類型 本文 所設(shè)計的 雙 轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機 是 在原 力矩 電機 轉(zhuǎn) 臺 的外 轉(zhuǎn)子 力 矩電機 的 基礎(chǔ)上 復(fù)合一內(nèi) 轉(zhuǎn) 子 永 磁同步力矩電 機 構(gòu)成雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機 以 期達(dá)到 提 高空 間利用率 體 積不變的前提下 提高 電 機的輸出轉(zhuǎn)矩 提高轉(zhuǎn)臺 運行轉(zhuǎn) 矩 增大 機 床 加 工能大 擴大 機 床加 工 范 圍 因 在 原 電機 基礎(chǔ) 上復(fù)合一電機 對結(jié)構(gòu) 的 改變 很 大 所 以 要 相應(yīng) 地 對轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)進行適應(yīng)性設(shè)計 以 合 理利用空間 保證轉(zhuǎn)臺 能 力 得 到提升 3 2 電機 基本 結(jié)構(gòu) 設(shè)計 要 想 對 電機 進 行設(shè)計 必須要 掌 握 設(shè)計 電機的各項約束條件 如對 電機外徑的要 求 高度的限制等 這 將在下文 展 開說明 只 有 對轉(zhuǎn)臺進行細(xì) 致 設(shè)計 才 能得到 準(zhǔn)確的 電機基本結(jié)構(gòu)參數(shù) 而 轉(zhuǎn) 臺的設(shè)計 將 在后文 進行闡述 此處 將轉(zhuǎn) 臺設(shè)計的結(jié)果 即 電機的尺寸先 行 介紹 以便突出電機設(shè)計的主題 3 2 1 電 機 主體尺寸 設(shè)計 對于徑 向 磁 通力矩電 機 增大額 定力 矩的最有效辦法 就 是增大 電機 半徑 正 是 由于電機 的尺寸在 很多 場合受 到限制 但是又要求 大的輸 出 力 矩 所 以本文提出 了 雙轉(zhuǎn)子電機 構(gòu) 想 但 是尺寸增 大對性能的 提升 是決定性的 所以 本文 依然爭取在有限空間內(nèi)設(shè)計 更 大的 直徑 的電機 以 提高電機 輸 出 力 矩 圖 3 1 原 力 矩 電機 轉(zhuǎn) 臺 部分 結(jié)構(gòu) 參數(shù) 根據(jù)本 文設(shè)計方案 如 下 文 圖 5 5所示 外 定 子外徑達(dá)到 378mm 已 超 原 電機圖 中 的 362mm 遠(yuǎn) 大于 原 電機 外 定子 外 徑 主 要原因在于本文設(shè)計 的 轉(zhuǎn)臺 臺面直徑未 變 不過將底座擴大 以期能 提 供更大的空 間 給 予 電機 設(shè)計 這 是 本文 所設(shè)計電機 的改 進之一 3 2 2 額定 數(shù)據(jù)和 技 術(shù)要求 由 原轉(zhuǎn)臺 電 機參數(shù) 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機設(shè)計 11 表 3 1 原轉(zhuǎn)臺 電 機參數(shù) 電機 連續(xù)運轉(zhuǎn)扭矩 200Nm 最大扭矩 450Nm 額定電壓 400V 額 定電流 10A 相 數(shù) 3m 額定電 壓 400NlUV 10IA 采用 Y 星形 接 法 400 2 3 0 9 433NlN UU V V 額 定 相 電 壓 3 2 3 氣 隙長度 電 動機 定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙被稱為氣隙 氣 隙的大小對電機整 體 性能影響 很 大 氣隙過大則磁阻增 大 勵磁電流增大 將 導(dǎo)致 電動機功率因數(shù) 的 降低 然而 氣隙又不能過小 由 于熱膨脹 加 工 和 安裝 時 的誤 差 因 素 過小 的氣 隙 可能 造 成 定轉(zhuǎn)子互相 摩 檫 的 現(xiàn)象 影響 電 機 壽命 中小電機氣隙一般在 0 2 2 0mm之間 為宜 由 經(jīng) 驗 公式 氣 隙長度 0 1 0 0 0 2 inD m m inD 為 定子槽 口 所 在 圓直徑 外 電機 氣 隙長度為 1 1 10 1 0 0 0 2 0 1 0 0 0 2 3 7 8 0 8 5 6D m m m m 內(nèi) 電機 氣 隙長度為 2 2 20 1 0 0 0 2 0 1 0 0 0 2 2 2 0 0 5 4D m m m m 圓 整 為 1 1mm 外 電 機 氣 隙 長 度 2 0 6 mm 內(nèi) 電 機 氣 隙 長 度 3 2 4 永 磁體尺寸 設(shè)計 在 現(xiàn)代工業(yè)和電機技術(shù)中廣泛應(yīng)用 的 永磁材料是 釹鐵硼 相較 于傳 統(tǒng) 永磁材料 鐵 氧體 釹鐵硼 磁性能 好 具有極高的 能量密度 磁能積和矯力 而且最近幾年隨著技術(shù)的發(fā)展 稀土永磁材料性能的不斷提高 該 材料成本已大大降低 因此該種電機越來越廣 泛地應(yīng)用于生產(chǎn)一線 永 磁體 尺寸 參數(shù) 為 如下三個 軸向 長度 ml 磁 化方向長度 mh 以 及 寬 度 mb 經(jīng) 過 電機 應(yīng)用轉(zhuǎn)臺的 詳盡 設(shè)計 并 力求電機徑向尺寸的最大化 將 永 磁體軸向長度 確 定為 內(nèi) 外定子的高 度 85mm 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機設(shè)計 12 永 磁體磁化方向長度 mh 的 大小 決定 了電機的 抗 去磁能力 而 mb 不 僅 會影響氣隙 密度以 及 齒槽轉(zhuǎn)矩 的 大 小 并 且 過 大的 mb 會 浪 費 永磁材料 無法 進 一步 提高 電機性能 反而 由于過重拖累 了 電機 減小 了 輸 出 力 矩 工程中常用方法是 先 預(yù)估 確 定 好 一個初值 方便后續(xù) 設(shè)計 之 后 再根據(jù)具體的電磁 性 能的計算 對前 期數(shù)值進行調(diào)整 所 以設(shè)計 過 程 是 一個不斷回 溯 優(yōu)化的 過 程 預(yù)估 公式為 1 rm r h B B m P sb 其 中 B 基波氣隙磁通密度幅值 rB 剩磁 密度 1 1 1 35rBB 氣隙 長度 s 電機轉(zhuǎn)子極距 r 永磁體材料相對回復(fù)磁導(dǎo)率 P 極 弧 系數(shù) 為方便電 機設(shè)計 加工 維修 此 處以 外電機 的外 轉(zhuǎn)子用永磁體貼 片為 模 板 設(shè)計內(nèi) 電 機的內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁 體貼片 即 所 有永磁體 貼片均 大小一致 便 于安裝 維修 根據(jù) 轉(zhuǎn) 臺的 實際 工 作情況 為 盡量避 免 高溫致永磁體退磁 選用 釹 鐵硼 30H 其 最 高工作溫度為 120C 具 體參數(shù) 如 下 rB 1 0 8T 剩 磁 感 應(yīng) 強 度 經(jīng) 典 值 rB 1 1T H c 7 9 6 K A m 矯 頑 力 3m a x B H 2 2 3 K J m 最 大 磁 能 積 3 7 30 1 1 1 0 91 0 4 1 0 8 0 0 1 0rr BHe 相 對 回 復(fù) 磁 導(dǎo) 率 720 4 1 0 NA 真 空 磁 導(dǎo) 率 外永磁體貼片 厚 度 11 1 0 9 1 1 0 9 1 1 11rm rh BB 內(nèi) 外永磁體貼片 厚 度 22 1 0 9 0 6 6 5 4 1 1 11rm rh BB 因為 是按 較 小值 選 取 rB B 所 以 向小 的方向圓整得 1 10mh mm 2 6mh mm 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機設(shè)計 13 外 轉(zhuǎn) 子 極 距 1 3 7 8 2 1 9 9 060s 內(nèi) 轉(zhuǎn)子極距 2 2 2 0 1 1 1 4 760s 外 電 機 永磁體貼片 寬 度 11 3 7 8 20 9 1 7 9 160m P sb m m 圓整 18mm 內(nèi)電 機永磁體貼片 寬 度 22 2 2 0 10 9 1 0 3 260m P sb m m 圓整 11mm mA 永 磁 體 每 極 磁 通 截 面 積 11m m mA b l 2 32 18 851 53 10mmm 22m m mA b l 2 42 11 859 35 10mmm 3 2 5 外定 子尺寸設(shè) 計 受 到轉(zhuǎn)臺整體結(jié)構(gòu) 的 限制 電 機 的尺寸不能 任 意 得擴大以 增大輸出 力 矩 通 過 對轉(zhuǎn)臺細(xì)致的 結(jié)構(gòu)設(shè)計 其 結(jié)構(gòu) 將 在下文細(xì)致闡述 得 到 外 定子 可 設(shè)計 的 最大 直徑 為 11 378mmD 根據(jù) 第 二 章所設(shè)計 的 齒槽的 大小 確 定下來 外 電 機 定子的厚度 1 30h mm 固外 電 機 的 定子內(nèi)徑為 12 318mmD 3 2 6 水 槽結(jié)構(gòu) 設(shè)計 由于 復(fù) 合 一 內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步力矩 電 機 整 體 發(fā)熱量 比較 大 并 且原電機也采用的水 冷 方式進行冷卻 故 而 本文 采用 了 水 冷 原理 在 內(nèi)外定子之間 加 裝冷卻水通道 比原轉(zhuǎn) 臺電機 冷卻 功率 大兩 倍的 200 CRT H 型轉(zhuǎn) 臺用 冷卻 水 進 出水管路接口為 1 8G 螺紋 內(nèi) 徑為 8 5mm 故 而本文參考后 設(shè)計 內(nèi)管 路 直徑為 8mm 該冷卻 結(jié)構(gòu) 加 工較為簡單 并 且 充 分 考 慮 換 熱面積 在狹窄 的空間里 提高 接 觸 面積 圖 3 4清晰 展現(xiàn)在 水冷的內(nèi)部 循 環(huán)過程 本文采用 M 型 水冷設(shè)計 保 證水冷降溫 效 果 由 于用于 數(shù)控機床 所以 可 以 借 助機床的 冷卻液系統(tǒng) 所以對于 轉(zhuǎn)臺電 機水冷來說 并不會給機床 帶 來額外的負(fù)擔(dān) 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機設(shè)計 14 圖 3 2 水套 總成 圖 3 3 水 套總成剖面圖 圖 3 4 M 型 水套 內(nèi) 部結(jié)構(gòu)圖 3 2 7 內(nèi) 定子尺寸設(shè)計 內(nèi) 定子除受制于轉(zhuǎn)臺整體尺寸 即 轉(zhuǎn) 臺直徑 0 500D mm 的 限制外 還 因 外電機占據(jù)部分空間 而 不得 不 向 內(nèi)壓縮 不 僅 如此 在 內(nèi)電機的外圈 還要 安裝冷卻水套 以 避 免電機 運 行過熱 造成 永 磁體退磁 降低 電機性能 所 以 經(jīng) 最大限度的 設(shè)計 按 第二章所示 詳盡 設(shè)計完 內(nèi)電機定子 齒 槽以后 內(nèi) 電機 定 子尺寸 設(shè)計 如下 內(nèi) 定 子 外 徑 21 266D mm 內(nèi) 定 子 內(nèi)徑 22 220D mm 3 3 定 子槽型設(shè)計 3 3 1 極 槽配合 的 選擇 在 電機設(shè)計 中 電動 機極 對 數(shù)符號 為 p 而 電機中 極 數(shù) 也就 是磁極總是成對存在的 所 以極 數(shù) 為 2p 同 步 電 機 轉(zhuǎn) 速為 60fn p 其中 f 是 電機定子繞組三相電頻率 因 為 永磁 同步力矩電機的磁極是由永磁體 提供 一 旦 永 磁體貼片尺寸 確定 外 轉(zhuǎn)子 磁場 也就是結(jié)構(gòu) 性 的確定了 是無法更改的 所 以 永磁同步電機的 水 套上蓋 M 型水 套 水 套 下 蓋 進 水 口 寶塔接頭 出 水 口 寶塔接頭 內(nèi) 定子 線 圈通道 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機設(shè)計 15 調(diào)速方式 只有改 變頻率 f 這 一 種 方 法 因 為本文只闡述電機 結(jié)構(gòu) 設(shè)計 不涉及電機 的 控制 系統(tǒng)設(shè)計 故此處 不 再 深入探討 定 子齒槽 用 于 安放 定子線圈 槽 數(shù) 越 多 氣 隙磁 阻 的 散亂 程度 越 小 進而降低了力矩波動 因 此 提 高槽 數(shù)對電機性能的提升至關(guān)重要 但 是 由于槽數(shù) 的 增 加 定 子齒的寬度 變 小 拉高了加 工 難度 增大了 成 本 這是 電機設(shè)計時 的 限制因素 所 以 為 了 性 能與成本 的 平 衡 極槽的配合值得進一步探討 電 機設(shè)計 很 重要的一個參數(shù)是 每極每相槽 q 2Qq pm 其 中 2 Q p m 定 子 總 槽 數(shù) 磁 極 個 數(shù) 相 數(shù) 本 文中 電 流采用 三相電 3m 電機設(shè)計 時 對極數(shù)有以 下 3個設(shè)計要求 1 極數(shù)是偶數(shù) 2 電機的極對數(shù)不能是電機相數(shù)的倍數(shù) 3 電機的極數(shù)和槽數(shù)不相等 并 且槽數(shù)必須是相數(shù)的倍數(shù) 根 據(jù) 原 轉(zhuǎn)臺的產(chǎn)品說明書 可 得其極對數(shù)為 30 槽數(shù)為 72 即內(nèi) 外 電 機 槽 極比均為 7260 每 極每相槽 數(shù) 7 2 2 2 6 0 3 5Qq pm 該 槽 數(shù)極數(shù)的設(shè)計 符合上 文所述電機 極 槽配合 的 要求 并且 由 于 本文 設(shè)計 的電 機 是 在 原電機基礎(chǔ)上復(fù) 合 一內(nèi) 轉(zhuǎn) 子 永 磁同步電 機 并保證同角速度 運 轉(zhuǎn) 所以 為簡化設(shè)計 并 爭取對原電 機的 核心 定轉(zhuǎn)子的改動最小 在 此設(shè)計思路 指 導(dǎo)下 保留原電機的極槽配合 q 為 分?jǐn)?shù) 時 繞 組 為分?jǐn)?shù) 槽 繞組 q 為 整數(shù) 時 繞 組 為整數(shù) 槽 繞組 本 文選用 的 是分?jǐn)?shù)槽繞 組的 電機 具 有 小 齒槽轉(zhuǎn)矩 低 噪 音 等 優(yōu) 點 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機設(shè)計 16 3 3 2 外轉(zhuǎn) 子 表 貼式永磁同步電機 定子 結(jié)構(gòu) 設(shè)計 圖 3 5 電 機外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 尺寸示意 圖 槽口 尺寸受 沖 壓 模具 制 造 電氣 性 能 下線工藝等多方面因素制約 一般取 值 2 5 4 0mm 本 文 采 用 的 漆 包線直徑 d 1mm 考慮 下線時 留 有 余 量 參照已 有電機 選 1b3o mm 1b5mm 1 0 8 oh mm 12 12h mm 一 般 設(shè)計 1 30 11 12 齒 寬 11 112 ost D h hbbQ 1111tan2 os bbh 本 文 中 1 1 1 1 1 53t a n 3 0 0 5 7 7 0 5 7 7 0 5 7 72 2 2oos b b b bh m m m m 11112 3 7 8 2 0 8 0 5 7 7 5 1 1 3 772ost D h hb b m m m mQ 齒 距 Dt Q 1 1 2 11 2 3 7 8 2 0 8 1 2 1 1 3 72 9 6 92 7 2 2otD h h bR m m m mQ 01 1open bk b 其 中 Q 為 定子槽數(shù) tb 為齒寬 D為外定 子外 徑 槽面 積計算方程 21 1 1 1 2 111 2 22sA b R h h R 2 2 5 9 6 9 1 2 2 9 6 928 1 1 0 3 2 mm mmh 槽 楔 厚 度 取 2 3 3 3 內(nèi)轉(zhuǎn) 子 表 貼式永磁同步電機 定子 結(jié)構(gòu) 設(shè)計 圖 3 6 電 機 內(nèi) 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 尺寸示意 圖 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機設(shè)計 17 參照已 有電機 選 1b 2 8o mm 1b 4 5mm 1 0 8 oh mm 12 13h mm 一 般 設(shè)計 1 30 11 12 齒 寬 11212 ost D h hbbQ 1111tan2 os bbh 本 文 中 1 1 1 1 1 4 5 2 8t a n 3 0 0 5 7 7 0 5 7 7 0 4 92 2 2oos b b b bh m m m m 所 以 11212 2 2 0 2 0 8 0 4 9 4 5 5 272ost D h hb b m mQ 齒 距 Dt Q 111 378 1 6 4 972Dt m m m mQ 1 1 21 2 2 2 0 2 0 8 1 3 4 62 8 52 7 2 2otD h h bR m m m mQ 01 1open bk b 其 中 Q 為 定子槽數(shù) tb 為齒寬 D為內(nèi) 定子 內(nèi) 徑 槽面 積計算方程 22 1 1 1 2 111 2 22sA b R h h R 2 2 4 5 8 5 1 3 1 8 528 1 0 6 3 7 3 mm mmh 槽 楔 厚 度 取 1 3 4 繞 組設(shè)計 因 為力矩電機驅(qū) 動 數(shù)控轉(zhuǎn)臺 進 行機械加工 而實際加工中常 要 求轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn) 速 很低 所以永磁力矩電機 必 須 設(shè)計成多極 結(jié)構(gòu) 采 用極槽數(shù)相近 的 配合 以減小齒槽轉(zhuǎn)矩 提高 運 行的平穩(wěn)性 保證加工 時 的精度 對于 多極多槽 的 永磁電機 尤其是 槽 數(shù) 極數(shù)相近的電機 為了提高 轉(zhuǎn) 矩密度 簡化 生 產(chǎn)工 藝 現(xiàn) 實 生 產(chǎn)中通常選用節(jié)距 1y 的 分?jǐn)?shù) 槽 集中繞組 所 謂集中 指一個繞組集中環(huán)繞一個齒上 無端部重疊 線圈 只 纏 繞在 一個齒上 因 為 跨 距小 縮短了線圈周長 同時減小了 端部伸出長度 降 低 了用銅量 對 于 單 雙層繞組選 擇 問題 雙層繞組相 比于 單層繞組 其 電機磁路更加合理 單層繞組電機在電樞反 應(yīng)時會造成更為嚴(yán)重的局部飽和 13 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機設(shè)計 18 集 中繞組 分 布因數(shù) 1 1dK 電 機 短 矩因數(shù) 1 sin 2pK ymq 152 63 5 y mq 1 sin 2pK 56 si n 0 96 62 本文 選 用 直槽 故斜槽因 數(shù) 1 1skK 繞 組因數(shù) 1 1 1dp d p skK K K K 1 0 966 10 966 永 磁體空載工作點 假定 值 外 電機 01 0 85b 內(nèi) 電機 02 0 90b 空 載 漏 磁系數(shù)假定值 外電 機 01 1 28 內(nèi)電 機 02 1 20 空 載主磁通 40 0 0 10rmb B A mA 永 磁 體 每 極 磁 通 載 面 積 由 前面計算得 321 1 53 10mAm 422 9 35 10mAm 所 以 外電 機 空 載主磁通 01 1 01 01rmb B A 3 3 0 85 1 1 1 53 10 1 28 1 12 10 Wb 內(nèi)電 機 空 載主磁通 02 02 0rmb B A 4 4 0 90 1 1 9 35 10 1 20 8 41 10 Wb 空 載電動勢 0 NeUE K 2 3 0 9 4 1 7 7 6 1 7 81 3 V V V eK 電 壓 系 數(shù) 1 0 5 1 3eK 取 1 3 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機設(shè)計 19 外 電機 近 似極弧系數(shù) 為 1 1 1 18 0 9 0 53 7 8 2 60 mp s b 計算 極弧系數(shù) 11 1 11 4 0 9536 1 ip s p 內(nèi) 電機 近 似極弧系數(shù) 為 2 2 2 11 0 9 5 92 2 0 1 60 mp s b 計算 弧極系數(shù) 22 2 22 4 0 9836 1 ip s p 氣 隙 磁 通波 形 系數(shù) 28 sin 2iiK 11 22 1 8 8 0 9 5 3sin sin 0 8 4 82 0 9 5 3 2i iK 22 2 8 8 0 9 8 3sin sin 0 8 2 42 0 9 8 3 2i iK 外電 機 每 相串聯(lián)匝數(shù) 10 11 301 0 8 48 178 628 454 4 4 4 4 4 50 0 9 66 1 1 2 10wKEN fk 取 為 11 648N 外 定子每槽導(dǎo)體 數(shù) 111s NaN pq 648 1 230 5 54 a 并 聯(lián) 支 路 數(shù) 取 a 1 內(nèi)電 機 每 相串聯(lián)匝數(shù) 20 12 402 0 8 24 178 813 2444 4 4 4 4 4 50 0 9 66 8 4 1 10wKEN fk 取 為 12 816N 內(nèi) 定子每槽導(dǎo)體 數(shù) 122s NaN pq 816 1 230 5 68 槽 絕 緣 面 積 對 于 雙 層 繞 組 為 1 2 1 1 1 2 2 iiA C h R R b 雙轉(zhuǎn)子永磁同步力矩電機設(shè)計 20 iC m m式 中 槽 絕 緣 厚 度 取 為 0 2 可 得 外 電機 2 1 1 2 1 1 1 9 6 9 2 2 0 2 2iiA C h R R b m m 2 1 2 9 6 9 5 10 78 內(nèi) 電機 2 2 1 2 1 1 1 8 5 2 2 0 2 2 1 3 8 52iiA C h R R b m m 4 5 1 0 4 7 并 繞根數(shù) 1tN 槽 有效面積 ef s iA A A 外定 子 21 1 1 1 1 0 3 2 1 0 7 8 9 9 5 4e f s iA A A m m 內(nèi)定 子 22 2 2 1 0 6 3 7 3 1 0 4 7 9 5 9 0 3e f s iA A A m m 導(dǎo) 線 直徑 均為 0 1d mm 導(dǎo)線絕 緣后直徑 1 08id mm 導(dǎo) 線有 規(guī)則 排列所占面積 2d t s iA N N d 外 電機 2 2 2 211 1 5 3 1 0 8 6 1 8 2d t s iA N N d m m m m 內(nèi) 電機 2 2 2 222 1 6 8 1 0 8 7 9 3 2d t s iA N N d m m m m 外定 子 槽 滿率 1 1 1 6 1 8 2 1 0 0 6 2 1 1 9 9 5 4df efAS A 內(nèi) 定子槽滿率 1 2 1 7 9 3 2 1 0 0 8 2 7 9 5 9 0 3df efAS A 由 于極數(shù)很多 而