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主轴永磁同步电动机及其传动系统设计研究

郭振宏  
【摘要】:本文的研究工作围绕高性能机床主轴永磁同步电动机及其传动系统的设计研究展开,所做工作主要包括五部分: 首先,根据机床主轴传动系统的运行特点,从降低主轴永磁同步电动机温升以及与主轴电机匹配的逆变器容量,提高主轴电机恒转矩运行时的转矩输出能力、电机的最高转速和恒功率调速比出发,确定了正弦波电流矢量控制永磁同步电动机的定子电流控制策略,即恒转矩运行时采用最大转矩/电流控制策略,而恒功率运行时则采用弱磁控制策略(根据负载功率的大小又可分为普通弱磁控制和最大功率输出弱磁控制);通过对不同控制策略下主要设计参数(包括空载永磁磁链,电机交、直轴电感等)对主轴永磁同步电动机性能影响的计算分析,总结了主轴永磁同步电动机参数设计的规律,确定了主轴电机的参数设计原则:研究并提出了永磁同步电动机弱磁扩速的主要方法和实用措施;在分析比较不同转子磁路结构电机性能,尤其是电机弱磁扩速能力的基础上,提出了一种易于弱磁扩速,并同时能保证电机恒转矩运行时的转矩输出能力的新型转子磁路结构。 其次,以本文所提转子磁路结构永磁同步电动机为主,对电机的参数进行了深入、透彻的计算、分析和研究。研究工作围绕影响正弦波电流矢量控制永磁同步电动机性能的几个关键设计参数展开,主要包括:空载漏磁系数,极弧系数和电机空载气隙磁密波形,以及电机的交、直轴电感参数等。计算并总结了不同结构设计数据,不同永磁体充磁方式、尺寸和性能,以及施加不同的电机交、直轴电流等因素对上述电机关键设计参数的影响规律,并在此基础上对采用本文提出转子磁路结构的主轴永磁同步电动机进行了电磁设计。 鉴于所设计主轴永磁同步电动机的最高转速很高,本文在第三部分中对电机运行于高转速时的机械性能进行了校验,并对主轴电机进行了机械设计。应用三维有限元数值计算软件对具有典型代表性的两种常用转子结构和本文所提出的转子结构的机械强度和刚度进行了计算。计算结果表明,现有转子结构已无法胜任本文主轴电机所要求的机械性能,而本文所提出的转子结构当采用适宜结构材料时则可满足电机的机械性能要求;应用传递矩阵法对电机转轴的临界转速和振型进行了验证和分析,结果表明,采用本文所提出的转子结构电机的一阶临界转速远高于电机的最高转速,避免了共振所导致的危害,从而保证了电机的安全运转;提出了本文所提结构的转子的制造工艺和制造方法,并针对所提结构属实心转子的情形,在转子导磁套筒上设计了隔涡流环;对电机转轴、轴承的设计和轴承润滑剂的选用进行了研究,提出了合理、实用的方案和实施措施。 在本文的第四部分中,应用本文所开发的计算机数字仿真软件,对包括主轴永磁同步电动机、控制算法、速度控制器和滞环电流调制器在内的永磁同步电动机主轴传动系统的动、稳态性能进行了分析研究:对速度控制中的速度分段进行了合理的划分,并通过仿真确定了不同速度段内的控制参数;对不同转速指令下电机起动过程和稳定运行时的电机转


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