精密CNC加工中心常用永磁同步电主轴的设计与优化

摘要

如今，装备制造业的发展现状是判断一个国家工业和国民经济发达与否的基本标准，而数控机床作为生产装备制造业的重要机器，是保证高技术产业发展和国防军工现代化的战略装备。精密数控机床的重要性能包括精度、效率和生产率、速度、可靠性、加工能力等，这些主要由数控系统进行决定。电主轴电机作为机床数控系统的关键和核心，主要执行着数控系统动力指令，其性能直接决定了数控机床装备的加工精度、振动、动态特性和噪声等关键技术指标，故其对机床性能、结构布局和制造成本均具有决定性的影响。因此，对于应用于数控CNC机床的主轴电机的设计与优化就显得越发地重要和必要。

电主轴是机床的核心技术，正是因为有了永磁同步电机的应用，才使得电主轴具有低速大转矩、高速范围宽、快速正反转切换等突出优点。众所周知，永磁电机的先天优势是低速大转矩输出，这与电主轴所要求是宽调速范围是矛盾的，如何兼顾低速大转矩和较高的工作转速是克服这一矛盾的关键。

文章开始先介绍了电主轴电机的国内外研究和发展现状，再次介绍了几种电机的特性，阐述了永磁同步电动机难以实现弱磁扩速的原因及调整研究现状。再次通过利用传统的异步电机设计方法并结合了永磁同步电机的特点，设计了一台40Kw的转子导体内置式的永磁同步电机，详细的设计了其机械结构、计算了其电气性能。同时还利用数值计算软件对其进行了性能分析。

最后，利用电磁分析软件Ansoft，对电机进行了建模及仿真，获得了电机的电磁场分布、启动转矩和转速以及电机稳态运行时的损耗。计算了电机的空载反电动势波形、交直轴电抗参数特性以及电机的功角特性。通过将每极的转子磁极采用集中分布的方法，提高了气隙磁密中的基波含量，明显得抑制了其中的高次谐波。

关键词　数控机床；永磁同步电主轴电机；有限元；设计与优化

目录

摘要 I

第1章绪论 1

1.1课题来源及精密CNC加工中心简介 1

1.1.1课题研究意义 2

1.2国内外研究现状 3

1.2.1国内外电主轴的发展与研究现状 4

1.3本文主要研究内容 6

第2章精密CNC常用电机的基本类型选择 7

2.1直流电机 7

2.2异步电机 7

2.3永磁同步电机 7

2.4开关磁阻电机 7

2.5本章小结 8

第3章永磁同步电机的电磁设计 9

3.1基本思路和设计方法 9

3.1.1电机主要尺寸的确定 9

3.1.2定转子的设计 9

3.1.3永磁体的设计 10

3.1.4设计方法 10

3.2永磁同步电机的电磁设计 11

3.2.1额定参数和技术要求 11

3.3电机槽极数配合及绕组形式选择 12

3.3.1电机极数的选择 12

3.3.2分数槽绕组 12

3.3.3电机的槽极配合分析 13

3.4转子拓扑结构以及永磁体尺寸的选择 14

3.4.1转子拓扑结构的选择 14

3.4.2永磁体尺寸的选择 14

3.5永磁同步电机的电磁设计 15

第4章永磁同步电机有限元分析 17

4.1Ansoft 简介 17

4.2Ansoft软件的特点 17

4.3电磁场基本理论 17

4.4永磁同步电机的有限元分析 18

4.4.1电磁场求解的有限元方法 18

4.4.2永磁同步电机的有限元仿真模型 18

4.4.3永磁同步电机的磁场分布 19

4.4.4永磁同步电机启动特性分析 21

4.4.5永磁同步电机结果分析 22

第5章全文总结 24

参考文献 25

致谢 26