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基于谐波分析的高速电主轴电机设计方法研究 摘要 高速力n - r _ 是代表现代制造业发展趋势的新技术。它不仅具有极高的生产率， 而且可以显著提高零件的加工精度和表面质量，实现难加工材料和薄壁零件的高 效精密加工。高速机床是实现高速加工的装备基础。电主轴是高速机床的核心部 件，其性能很大程度上决定了高速机床的性能和技术水平。由于电主轴普遍采用 逆变器供电，其实际运行性能与正弦电源供电的性能相比发生了显著的变化。因 此，有必要深入研究逆变器供电条件下高速电主轴电机的设计方法。 本文在分析正弦脉宽调制s p w m ( s i n u s o i d a lp u l s ew i a t hm o d u l a t i o n ) 电压源 逆变器调制原理的基础上，深入研究了逆变器输出电流高次谐波对高速电主轴电 机效率、功率因数及电磁转矩的影响规律。定量分析和实际算例表明，高次谐波 是导致电主轴电机效率、功率因数以及输出扭矩等力能特性显著下降的重要因素。 在充分考虑逆变器输出电流高次谐波影响的基础上，开发了一套高速电主轴 电机电磁设计分析计算源程序，利用该程序定量研究了高速电主轴电机电磁设计 参数对其效率、功率因数以及最大转矩倍数等力能特性的影响规律。实际算例表 明，相对传统的正弦电压源供电条件下的工频电机设计方法，考虑逆变器输出电 流高次谐波影响的高速电主轴电机设计方法对力能特性能作出更准确的计算和更 为合理的评价。 针对通常的高速电主轴电机设计方法仅能反映稳态性能，而不能反映电机的 动态特性的不足，本文建立了“逆变器一电机一负载数学模型，基于该模型并 在考虑逆变器输出电流高次谐波影响的基础上，开发了一套电机动态特性分析的 源程序。利用该程序定量研究了高速电主轴电机转子槽形和定子绕组设计参数对 电机动态特性特别是高次谐波脉动转矩的影响规律。研究表明，优化高速电主轴 电机电磁设计可抑制高次谐波电流，降低高次谐波电流引起的电磁损耗和脉动转 矩，进而提高效率、功率因数等力能特性及动态特性。 实验研究了逆变器工作参数对电主轴电机定子电流及其频谱特性的影响，验 证了逆变器输出电流的非正弦特性，提出了通过优化逆变器工作参数抑制高次谐 波电流，进而提高电主轴电机力能特性及动态特性的具体策略。 本文研究工作对异步电主轴电机电磁设计分析计算及动态特性分析具有参考 价值。 关键词：电主轴；逆变器；高次谐波；电磁设计；高速加工 i i 硕士学位论文 a b s t r a c t h i g h s p e e dm a c h i n i n gi sat e c h n o l o g y ，w h i c hi sr e p r e s e n t i n gt h ed e v e l o p m e n t t r e n do fm o d e r nm a n u f a c t u r i n g i tn o to n l yh a sh i g he f f i c i e n c y , b u ta l s oc a ni m p r o v e s t h em a c h i n i n gp r e c i s i o na n ds u r f a c eq u a l i t ys i g n i f i c a n t l y t h e r e f o r e ，i tc a nr e a l i z e s h i g he f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o nm a c h i n i n gf o rt h ed i f f i c u l t t o - m a c h i n em a t e r i a l sa n dt h e p a r t so fp a r e n c h y m a h i g h - s p e e dm a c h i n ei st h ee q u i p m e n tf o u n d a t i o no fh i g h - s p e e d m a c h i n i n g t h em o t o r i z e ds p i n d l ei st h ec o r ec o m p o n e n to fh i g h s p e e dm a c h i n e t oa l a r g ee x t e n t ，t h ep e r f o r m a n c ea n dt e c h n o l o g yl e v e lo ft h eh i g h s p e e dm a c h i n ea r e d e p e n d i n go nt h ep e r f o r m a n c eo ft h em o t o r i z e ds p i n d l e b e c a u s et h em o t o r i z e d s p i n d l ei ss u p p l i e db yi n v e r t e r , t h ea c t u a lp e r f o r m a n c ei sc h a n g i n gg r e a t l yc o m p a r e d w i t ht h ep e r f o r m a n c eo ft h em o t o rs u p p l i e db ys i n u s o i d a lv o l t a g e s oi ti sn e c e s s a r yt o r e s e a r c ht h ed e s i g nm e t h o do ft h eh i g h - s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l ed e e p l y o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so fs p w m ( s i n u s o i d a lp u l s ew i a t hm o d u l a t i o n ) m o d u l a t i o np r i n c i p l e ，t h ee f f e c to fh a r m o n i c so nt h ee f f i c i e n c y ，p o w e rf a c t o ra n d e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u eo fm o t o r i z e ds p i n g d l ei ss t u d i e dd e e p l y t h er e s e a r c hs h o w s t h a tt h eh i g h - o r d e rh a r m o n i c sa r ea ni m p o r t a n t f a c t o r , w h i c hm a k e st h es t e a d y p e r f o r m a n c ed r o p ，s u c ha st h ee f f i c i e n c y ，p o w e rf a c t o ra n de l e c t r o m a g n e t i ct o r q u e o nt h eb a s i so ft h ee f f e c to f h i g h o r d e rh a r m o n i cc u r r e n t so nt h em o t o r i z e ds p i n d l e ，a e l e c t r o m a g n e t i cd e s i g np r o c e d u r e s i s d e v e l o p e d f o r c a l c u l a t i n g t h e s t e a d y p e r f o r m a n c e t h e n ，t h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h e e f f e c to fe l e c t r o m a g n e t i c p a r a m e t e r so nt h ee f f i c i e n c y ，p o w e rf a c t o ra n de l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ei sc a r r i e do u t ap r a c t i c a le x a m p l es h o w s ，w h e nt h ee f f e c to fh i g h o r d e rh a r m o n i cc u r r e n t si s c o n s i d e r e d f u l l y , t h ed e s i g nm e t h o df o rh i h g s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l ei sm o r e a c c u r a t e l ya n dm o r er e a s o n a b l e ，c o m p a r e dt ot h ed e s i g nm e t h o df o rt h eo r d i n a r y m o t o r ss u p p l i e db ys i n u s o i d a lv o l t a g e t h eg e n e r a le l e c t r o m a g n e t i cd e s i g nm e t h o df o r h i g h - s p e e dm o t o r si so n l y r e f l e c t i n gs t e a d yp e r f o r m a n c eb u tn o tr e f r e c t i n gt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e a c c o r d i n g t ot h ed e f i c i e n c i e s ，am a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e di n c l u d i n gam o t o r a n i n v e r t e ra n dl o a d s o nt h eb a s i so ft h em o d e l ，as i m u l a t i o np r o c e d u r ef o rc a l c u l a t i n g t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ei s d e v e l o p e d ，w h i c hi su s e dt os t u d yd i f f e r e n td e s i g n s o l u t i o n so fam o t o r i z e ds p i n d l ep a r a t i v e l y , w h i c hi n v o l v ew i n d i n gp i t c h ，w i n d i n g t y p e a n dr o t o rs l o t s h a p e t h e e f f e c to fd e s i g n p a r a m e t e r s o nt h ed y n a m i c p e r f o r m a n c eo ft h em o t o ri sa n a l y z e d ，e s p e c i a l l yf o rt h er i p p l et o r q u ec a u s e e db y i i i 基于谐波分析的高速电主轴电机设计方法研究 h i g h o r d e rh a r m o n i cc u r r e n t s t h er e s e a r c hi n d i c a t e si tc a ns u p p r e s st h eh i g h o r d e r h a r m o n i cc u r r e n t st h a tc a u s em o r el o s s e sa n dv i b r a t i o nt oi m p r o v et h ed y n a m i c p e r f o r m a n c ea n dt h es t e a d yp e r f o r m a n c e s u c ha se f f i c i e n c y , p o w e rf a c t o r b y o p t i m i z i n ge l e c t r o m a g n e t i cd e s i g n f i n a l l y , t h ee f f e c to fw o r k i n gp a r a m e t e r so nt h es t a t o rc u r r e n ta n dt h es p e c t r u m p e r f o r m a n c eo ft h ec u r e e n ti sr e s e a r c h e db yt h ee x p e r i m e n t s t h er e s u l t si n d i c a t et h a t t h eo u t p u tc u r r e n to fi n v e r t e ri sn o ts i n u s o i d a l t h e n ，as t r a t e g yi sp r o p o s e dt h a ti tc a n s u p p r e s st h eh i g h - o r d e rh a r m o n i cc u r r e n t st oi m p r o v et h es t e a d yp e r f o r m a n c ea n d d y n a m i cp e r f o r m a n c eb yo p t i m i z i n gt h ew o r k i n gp a r a m e t e r so ft h ei n v e r t e r t h er e s e a r c hh a sar e f e r e n c ev a l u ef o rt h ee l e c t r o m a g n e t i c d e s i g na n dt h e a n a l y s i so fd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fi n d u c t i o nm o t o r i e ds p i n d l e k e yw o r d s ：m o t o r i z e ds p i n d l e ；i n v e r t e r ；h i g h - o r d e rh a r m o n i c s ；e l e c t r o m a g n e t i c d e s i g n ；h i g h - s p e e dm a c h i n i n g 基于谐波分析的高速电主轴电机设计方法研究 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图3 1 图 图 图 图 图3 6 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1o 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 插图索引 湖南大学自主研制的装备加工中心的高速精密电主轴1 s p w m 逆变器电路原理图7 三相s p w m 逆变器的调制波形8 s p w m 规则采样9 三相s p w m 逆变器的基本电路l o 不同载波比的逆变器输出电压的频谱图1 2 不同调制比的逆变器输出电压的频谱图1 3 电机电磁转矩脉动示意图1 5 电机转子集肤效应系数曲线1 6 高速变频电机基波等效电路1 7 高速变频电机谐波等效电路1 7 s p w m 供电下样机的输入电压频谱图2 l 样机在正弦波与s p w m 电源分别供电下的性能曲线2 2 电主轴电机的定子槽形2 8 电主轴电机的转子槽形2 9 高速电主轴电机电磁校核框图3 l 高速电主轴电机电磁设计计算程序流程3 2 不同负载下正弦波与s p w m 电源供电的电机性能比较3 4 不同频率下正弦波与s p w m 电源供电的电机性能比较3 6 三相到两相的坐标旋转变换示意图3 8 龙格库塔解法的程序流程简图4 2 节距比为6 9 时的仿真结果图4 3 节距比为7 9 时的仿真结果图4 4 节距比为8 9 时的仿真结果图4 5 不同节距比的定子电流频谱图4 6 绕组型式1 的仿真结果图一4 7 绕组型式2 的仿真结果图”4 8 绕组型式3 的仿真结果图4 9 不同绕组型式的定子电流频谱图5 0 转子槽形为圆底槽的仿真结果图5 1 转子槽形为梨形槽的仿真结果图5 2 转子槽形为平底槽的仿真结果图5 3 v l l l 硕 ：学位论文 图4 1 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 10 不同转子槽形的定子电流频谱图5 4 磨床用电主轴系统5 6 安正振动及动态信号采集分析系统5 7 k t l 0 0 a p 型磁平衡式电流传感器5 7 电主轴电流信号测量与分析流程5 8 电机运行频率为1 0 h z 时的电流波谱图5 9 电机运行频率为3 0 h z 时的电流波谱图6 0 电机运行频率为5 0 h z 时的电流波谱图6 0 逆变器载波频率为3 k h z 时的电流波谱图6 1 逆变器载波频率为6 k h z 时的电流波谱图6 2 逆变器载波频率为9 k h z 时的电流波谱图一6 2 i x 基于谐波分析的高速电主轴电机设计方法研究 附表索引 表2 1常用硅钢片铁耗分析材料系数1 9 表2 2 谐波对样机在额定工作点时的各种损耗的影响2 1 表3 1高频电机与普通异步电机的磁密取值范围比较”2 5 表3 2高频电机与普通异步电机的电密取值范围比较2 5 表3 3电机的额定技术指标”3 3 表3 4电机的基本尺寸一3 3 表3 5电机的主要参数3 3 表3 6电机在不同负载下的性能指标3 4 表3 7电机在恒转矩阶段的性能指标3 5 表3 8电机在恒功率阶段的性能指标3 5 表4 1 不同节距比的电机在d q o 坐标系下的主要参数一4 3 表4 2不同节距比的仿真结果比较一4 5 表4 3不同节距比的定子电流频谱值4 6 表4 4 不同绕组型式的电机在d q o 坐标系的主要参数4 7 表4 5不同绕组型式的仿真结果比较4 9 表4 6不同绕组型式的定子电流频谱值5 0 表4 7 不同转子槽形的电机在d q o 坐标系的主要参数5 1 表4 8不同转子槽形的仿真结果比较5 3 表4 9 不同转子槽形的定子电流频谱值5 4 x 硕士学位论文 彳一定子线负荷； 盈一气隙磁通密度幅值： c 3 川，一三相到两相变换矩阵； 现一电机定子外径； 局一逆变器母线电压； 石一电机定子基波频率； 厂一频率； 昂一每极磁势降： g 一电机轭部铁芯质量： 五一电机定子基波电流； 一电机转子电流； 丘一电机转子谐波电流； 红一电机定子d 相电流； 一电机转子d 相电流； 瓦一磁场波形系数； 丘一定子轭部铁损校正系数； k 一涡流损耗影响系数； t 一转子集肤效应漏抗减少系数； l 一转子相绕组自感； 厶，一定子相绕组漏感； 厶。一定转子相绕组励磁电感； m 一定子绕组每相串联匝数； ，l ，一电机额定同步转速； 聊一电机定子绕组相数； r 一单位重量铁耗； 一电机异常涡流损耗； 足。一电机定子总铜损耗； 气一电机杂散损耗； 见一电机磁极数； q 一电机定子槽数； 瓯一计算视在功率； 符号表 x i 吃一气隙平均磁通密度； 吃一电机磁负荷： c 2 一，一两相到三相变换矩阵； 口一电机定子内径； 厶一额定频率； 九一电机定子谐波频率； z 一力波基波频率； g | 一电机齿部铁心质量； 日一电机转子转动惯量： l 一磁化电流； k 一电机定子谐波电流； 一电机定子q 相电流； 0 一电机转子q 相电流； k 一定子绕组系数； k 一定子齿部铁损校正系数； 氏一定子槽满率： k 一转子集肤效应电阻增加系数； l 一定转子互感； 上。一定子相绕组自感； 厶，一转子相绕组漏感： k 一电机铁心有效长度； 一逆变器载波比； m 一逆变器调制比； 晶一电机额定功率； 最一磁滞损耗； 名一电机经典涡流损耗； 民一电机转子铝损耗； 一电机机械损耗； p = 一微分算子； l q 一电机转子槽数； 而一电机基波转差率； 基于谐波分析的高速电主轴电机设计方法研究 乱一电机谐波转差率； 玑。一电机定子绕组相电压； 眈一逆变器b 相输出电压： u 一定子基波电压： 吆一电机定子d 相电压； 一电机转子d 相电压； ”一正弦调制波函数； 冠一电机定子电阻； 如一等效铁耗电阻； 一真空磁导率； 只一电机转子电角度； q 一电机定子角速度； 五一电机定子漏抗； 刀一电机负载转矩； 正一正弦调制波函数周期； ，饥一s p w m 调制导通时间； k s p w m 调制断开时间： 一s p w m 脉冲宽度； 以一贝塞尔函数； 一计算极弧系数； c o s 矽一功率因数： x i i f 一电机极距； 虬一逆变器a 相输出电压； 虬一逆变器c 相输出电压； 仉一定子谐波电压： 一电机定子q 相电压； 一电机转子q 相电压； 甜。一三角载波函数； 足一电机转子电阻； 一谐波等效铁耗电阻； 最一电机定子电角度； 幺一岛与g 的角度差； 蛾一电机转子角速度； z 一电机转子漏抗； z 一电机电磁转矩； z 一三角载波函数周期； 一s p w m 调制导通时间； 0 一s p w m 调制断开时间； 以一定子绕组电流密度： 一计算极弧系数： 刁一效率； 一每极磁通； 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人与集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 彭羡冀 眺沙a 7 年歹月，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 多王峰 日期江7 年岁月cc 7 日 导师签名：农鲁万t 爹日期：z 。夕年岁月z 。日 顿士学位论文 1 1 课题背景及研究意义 第1 章绪论 11 1 课题背景 高速加工是代表现代制造业发展趋势的一项新技术，它不仅具有极高的生产 率，而且可显著提高零件的加工精度和表面质量，实现工程陶瓷、玻璃、半导体 硅等硬脆难加工材料和薄壁零件的高效精密加工，在航空航天、精密仪表制造等 高精尖领域和民用汽车制造行业获得了极为广泛的应用。高速机床是实现高速加 工的装备基础。电主轴是高速机床的核心部件( 如图11 所示) ，其特点是将机床主 轴功能和电动机功能从结构上融为一体，省去了复杂的中间传动环节，具有速度 高、精度高、调速范围宽、振动噪声小、可快速起动和定向停等优点。电主轴的 性能决定了高速机床的性能和技术水平。电主轴按所使用的电动机类型可分为同 步电主轴和异步电主轴两类。目前工程上广泛使用的多为异步电主轴。 一 a )b 1 图ii 湖南大学自主研制的装备加工中心的高速精密电主轴 a ) 高速精密电主轴；b ) 装备高速精镕电主轴加i 中心 近十几年来，随着变频调速技术、高频电力电子变流技术、矢量控制技术的 r 趋成熟，电主轴普遍采用逆变器供电。由于逆变器输出电流非正弦，含有大量 高次谐波成分，导致高速电主轴电机效率、输出功率、输出扭矩以及输出转速和 转矩的稳定性显著下降，严重影响高速机床的加工效率和加工质量。因此，深入 研究逆变器供电条件下高速电主轴电机的设计方法，对抑制高次谐波电流，提高 高速电主轴电机力能特性，进而提高高速机床的加工效率和加工质量十分关键， 基于谐波分析的高速电主轴电机设计方法研究 具有重要的理论研究意义和工程应用价值。 1 1 2 研究意义 高速异步电主轴电机由于采用逆变器供电，其实际运行性能与正弦电压供电 条件下的性能相比发生了显著的变化，传统的正弦电压供电条件下的电机设计方 法对高速电主轴电机的设计已不完全适用，因此，开展题为“基于谐波分析的高 速异步电主轴电机设计方法研究 的课题研究，其研究意义体现在以下四个方面： 1 逆变器供电条件下的高速异步电主轴电机按照传统的设计方法的计算结 果误差较大 高速电主轴电机由于采用逆变器供电，其设计方法与传统的正弦电压供电条 件下工频电机设计方法相比，不同点主要体现在： ( 1 ) 低速段实行恒转矩调速，可输出足够大的转矩，设计时不需考虑起动问 题； ( 2 ) 为减少转子集肤效应影响和降低转子铜损耗，转子槽与普通工频电机设 计成深槽不同，而宜尽量设计成“矮胖”的浅槽： ( 3 ) 为提高效率、输出功率、输出扭矩等力能特性和转子临界转速，设计时 径向尺寸宜尽量大，轴向尺寸宜尽量小； ( 4 ) 逆变器输出电流高次谐波使效率和功率因数明显下降，设计时高次谐波 的影响不可忽略； ( 5 ) 设计基准点频率一般不在5 0 h z 。 由于高速电主轴电机设计与传统电机设计存在上述差距，传统设计的计算结 果不能真实客观反映高速电主轴电机实际性能，因此，研究逆变器供电条件下高 速电主轴电机设计可使其设计趋于合理化，计算结果更准确，更符合实际。 2 优化电磁设计提高电机效率、输出功率和输出扭矩等力能特性 高速使电主轴电机电磁损耗显著增加，导致效率、输出功率和输出扭矩明显 下降，不仅严重影响高速机床的加工效率和加工质量，而且对工业节能降耗十分 不利。高速电主轴电机性能决定于电磁设计。研究电磁优化设计，对有效提高高 速电主轴电机效率以及输出功率和输出扭矩能力，进而提高高速机床的加工效率 和加工质量，以及工业节能降耗具有十分重要的意义。 3 抑制高次谐波电流改善输出扭矩特性 高速电主轴电机由于采用逆变器供电，输出电流非正弦，含有大量高次谐波 成分，导致其工作运转时不可避免产生高次谐波脉动转矩，恶化输出扭矩特性， 严重影响高速机床的加工效率和加工质量。研究逆变器供电条件下高速电主轴电 机设计以抑制高次谐波脉动转矩，对改善输出扭矩特性，提高高速机床的加工效 率和加工质量十分关键。 硕士学位论文 4 提供新的电机设计方法 传统的正弦电压供电条件下的电机设计方法由于未考虑逆变器输出电流高次 谐波对电机性能的影响，不能真实反映逆变器供电条件下高速电主轴电机性能， 只能对电机的稳态性能性进行计算与评价，不能反映电机的动态特性。而且，由 于逆变器输出电流高次谐波使高速电主轴电机工作运转时不可避免产生高次谐波 脉动转矩，导致输出扭矩特性下降，客观上要求对动态特性进行定量分析与评价。 研究逆变器供电条件下高速电主轴电机的设计方法可提供一种集电磁设计分析计 算和动态特性评价功能于一体新的设计方法。 1 2 国内外研究状况 近十年来，国内外学者对高速变频电机设计的研究主要侧重于以下几个方面： 1 2 1 电磁损耗机理与计算方法 逆变器输出电流高次谐波导致高速电机电磁损耗机理与正弦电压供电条件 下的电磁损耗机理明显不同，正弦电压供电条件下的电磁损耗计算方法对高速电 机电磁损耗计算已不完全适用，客观上要求对高速电机电磁损耗机理与计算方法 进行重新研究。由于高速电机铁损耗机理与计算最为复杂，因此，一直是学术研 究界关注的焦点。 研究逆变器供电条件下电机铁损耗具有代表性的工作是文献【1 a l d o b o g l i e t t i 等所做的工作。他们试验研究了p w m 逆变器的调制波形、载波频率和 调幅比等调制特性对电机铁损耗的影响，研究发现，调制波形和载波频率对电机 铁损耗的影响很小，增大调幅比可显著降低电机铁损耗。文献【l 】为揭示变频电机 铁损耗机理和降低变频电机铁损耗提供了试验依据，但未提出铁损耗理论计算方 法。a l d ob o g l i e t t i 等( 2 1 针对文献 1 】研究工作存在的不足，在其基础上进一步研究 了任意输出电压波形供电条件下铁心软磁材料铁损耗机理，提出了一种计算铁损 耗新的方法一参数估计预测方法。该方法相比于传统的谐波叠加法，显著提高了 变频电机铁损耗计算效率。文献【3 】针对传统谐波叠加法计算铁损耗效率低的不 足，研究了铁心软磁材料铁损耗计算，提出了计算铁损耗的神经网络预测法。此 方法不足之处在于计算可靠性和精度依赖于试验训练样本数。 相对神经网络预测法，参数估计预测法是根据铁损耗产生机理利用参数估计 最小二乘法对铁损耗进行估算，可靠性更高，但其计算结果尚依赖于更多实验， 才能在变频电机电磁设计分析计算中加以推广与应用。 1 2 2 电磁设计 高速电机的运行性能决定于其电磁设计。为提高高速电机的运行性能以及探 基于谐波分析的高速电主轴电机设计方法研究 索与研究设计规律，国内外研究者对高速电机电磁设计进行了大量研究。 l a r s s o n 等【4 】研究了高速异步电机的电磁设计，利用经典的电磁设计分析计算 方法与基于现代计算机技术的有限元方法分别对该电机参数进行了理论计算，并 与试验测量结果进行了对比，研究表明，随着逆变器输出频率的逐步升高，定转 子电阻先逐渐增大，然后逐渐减小，最后又逐渐增大，当增大到某一值后逐渐趋 于稳定；逆变器输出频率对定转子电感与励磁电感的影响很小。j o h a n s s o n 等【5 j 研究了极数不同的两高速异步电机的电磁设计，利用与文献【4 】相同的方法对电机 参数进行了计算、测量与比较，并分析了极数与逆变器供电频率、调制模式等对 实测定子电流谐波分量的影响，研究表明，对于高速异步电机驱动单元一逆变器， 采用方波调制是最理想的调制方式；对于高速异步电机，极数少，易于实现高速 化，且有利于降低定子电流谐波分量。a n b a r a s u 等【6 】研究了高速电机的电磁设计， 利用数值迭代方法对该电机运行性能进行了估算；m e k h i c h e 等【7 j 探讨了高速异步 电机设计方法；文献 8 9 】在分析变频异步电机与工频异步电机在设计上存在差 异的基础上，研究了变频异步电机的电磁设计；文献 1 0 】提出了无刷双馈电机采 用单套定子绕组方案时的联结方式和设计方法；文献【1 1 】研究了变频异步电机转 子集肤效应与转子槽形尺寸的关系，提出了降低转子集肤效应的最优转子槽形尺 寸计算公式。上述文献 4 1 1 的研究工作为高速电机电磁设计提供了设计依据、 设计准则和设计方法，为设计出性能优良的高速电机奠定了基础。 针对世界能源短缺的危机，为使高速电机向高效率、低能耗方向发展，进一 步提高高速电机力能特性和设计效率，学术研究界对电机电磁优化设计越来越关 注和重视。随着有限元【12 1 、模糊决策13 1 、神经网络【1 4 1 、遗传算法【1 5 】等新的优化 技术相继应用于电机优化设计，这极大地丰富了电机优化设计方法与手段，提高 了电机运行性能。文献【1 6 】研究了初值选取、步长大小、约束条件等因素对异步 电机优化结果的影响；文献 1 7 】采用优化设计程序改进了电力机车异步电机的设 计；文献【1 8 】利用基于优化技术的自适应模型研究了异步电机的优化设计，研究 发现，该模型能自动寻得电机效率的全局最优解；j a z d z y n s k i 等【1 9 】利用二次近似 规划方法研究了异步电机的两目标优化；文献【2 0 利用自适应模型、谐波分析模 型、最优滑差控制与面向系统的优化设计方法研究了变频异步电机的优化设计， 研究表明，该方法可显著提高变频异步电机的力能特性。 尽管采用上述文献 1 2 1 5 ，1 9 】的优化技术可提高高速电机的力能特性和设计 效率，但其约束条件的施加还依赖于高速电机电磁设计经验、准则和方法。 1 2 3 电机仿真模型 建立合理电机数学模型是研究电机动态特性的基础，也是研究电机控制性能 的基础。p a r k 电机模型的提出为电机动态响应特性、控制精度等控制性能的提高 硕士学位论文 以及动态特性研究效率的提高奠定了理论基础。针对工业应用与发展对电机驱动 系统控制性能和动态特性要求愈来愈高的现实，研究者在p a r k 电机模型的基础上 做了不少进一步研究和完善的工作。文献 2 1 建立了两相静止坐标系下考虑铁损 耗的异步电机模型，利用该模型研究了电机启动、加载等过渡过程，研究发现， 该模型能真实客观反映电机动态特性。文献 2 1 的不足之处在于建模时未进一步 考虑饱和效应和温升变化对电机参数的影响。文献 2 2 针对电机饱和效应引起其 电感参数发生变化，导致采用传统恒电机参数线性电机模型不能客观反映电机静 动态特性的不足，提出了考虑主磁路饱和效应影响的由刀坐标系下异步电机模型， 研究表明，与传统由0 坐标系下恒电机参数线性异步电机模型相比，该模型在模 拟启动瞬态过程时结果相同，但在模拟稳态过程时更接近于实际情况。文献 2 3 针对文献 2 1 仅考虑铁损耗对电机参数影响和文献 2 2 仅考虑饱和效应对电机参 数影响的不足，在它们基础上同时考虑铁损耗与饱和效应对电机参数的影响，提 出了基于同步旋转坐标下的非线性异步电机模型，并与传统面0 坐标系下恒电机 参数线性异步电机模型作了比较，研究发现，该模型能更准确反映电机静动态特 性。文献【2 3 1 建立了考虑铁损耗和饱和效应影响的基于静止直角坐标系下的非线 性异步电机模型。文献 2 4 建立了考虑了转子集肤效应和非线性因素影响的逆变 器供电条件下异步电机数学模型，利用该模型研究了一台小功率电机和一台大功 率牵引电机的稳态性能，研究发现，该模型能客观准确反映转子集肤效应和非线 性因素对定子电流波形的影响规律。 1 3 存在的问题 目前尽管国内外研究者对变频异步电动机电磁设计理论已做了大量的基础性 研究工作，取得了丰硕的研究成果，但仍没有形成一套系统完备的设计理论，还 存在以下问题有待进一步研究与完善： 1 逆变器供电条件下高速异步电主轴电机电磁设计方法 高速电主轴电机由于采用逆变器供电，其电磁设计方法与正弦电压供电条件 下工频电机的设计方法相比存在诸多不同。例如：( 1 ) 低频时由于实行恒转矩调 速，可输出足够大的转矩，设计时不需考虑起动问题；( 2 ) 为减少转子集肤效应 影响和降低转子铜损耗，转子槽与工频电机为克服起动转矩不足而设计成深槽不 同，宜设计成周向尺寸大而径向尺寸小的浅槽；( 3 ) 由于采用电机内装式结构， 为实现结构紧凑化和高速化，设计时定子外径尽量小，转子内径尽量大；等等。 由此可见，工频电机的电磁设计方法对高速电主轴电机的电磁设计已不完全适用， 需要对高速电主轴电机的电磁设计方法进行重新研究。 2 变频器供电导致高速电主轴电机性能明显下降，如何提高其力能特性 逆变器输出电流高次谐波产生的电磁损耗与脉动转矩导致高速电主轴电机效 基于谐波分析的高速电主轴电机设计方法研究 率、功率因数以及输出扭矩特性等力能特性显著下降，进而影响高速机床的加工 效率与加工精度。研究出抑制逆变器输出电流高次谐波而提高高速电主轴电机力 能特性的电磁设计方法是关键。 3 开发考虑逆变器输出高次谐波的电机电磁设计与动态特性仿真程序 目前，考虑逆变器输出高次谐波影响的高速变频电机电磁设计程序较少，计 算精度也较低，而对高速变频电机的动态特性进行仿真分析的程序则未出现。 1 4 本文研究的主要内容 目前，国内外研究者对变频电动机电磁设计理论已做了大量基础性的研究工 作，取得了不少研究成果。本文将在这些研究成果的基础上进一步做以下几方面 的研究工作： ( 1 ) 在分析s p w m 电压源逆变器调制原理的基础上，进一步分析与研究逆变 器输出电流谐波对高速电主轴电机效率、功率因数、电磁转矩、电机参数以及电 磁损耗的影响，验证逆变器输出电流谐波是导致高速电主轴电机效率、功率因数、 输出功率、输出扭矩等力能特性明显下降的重要因素。 ( 2 ) 在充分考虑逆变器输出电流谐波影响的基础上利用电磁设计分析方法，开 发一套逆变器供电条件下高速电主轴电机电磁设计分析计算源程序，利用该程序 定量研究高速电主轴电机电磁设计参数对其效率、功率因数以及最大转矩倍数等 力能特性的影响规律，并将考虑逆变器输出电流谐波影响的电机设计方法和正弦 电压供电条件下的电机设计方法计算得到的效率和功率因数进行比较。 ( 3 ) 针对通常的高速电主轴电机设计方法仅能对稳态性能进行分析与评价，而 不能反映动态特性的不足，建立“逆变器一电机一负载数学模型，基于该模型 开发一套电机动态特性分析的源程序，利用该程序定量研究高速电主轴电机转子 槽形、定子绕组设计参数等电磁设计参数对高次谐波脉动转矩的影响规律，提出 通过优化高速电主轴电机电磁设计抑制高次谐波电流，进而提高其效率、功率因 数以及输出扭矩特性的具体方法。 ( 4 ) 实验研究逆变器工作参数对电主轴电机定子电流及其频谱特性的影响，验 证逆变器输出电流的谐波特性，提出通过优化逆变器工作参数抑制高次谐波电流， 进而提高高速电主轴电机效率和输出扭矩特性的具体策略。 硕士学位论文 第2 章高次谐波对高速电主轴电机特性的影响分析 逆变器输出电压和电流多为非正弦波，包含了大量的高次谐波，这使得电机 产生附加的铜损，铁损以及其他的一些损耗，而且由于集肤效应显著，电机定、 转子电阻会随频率非线性增大，这也大大增加了定、转子的谐波损耗，所以电机 的效率与功率因数都将降低1 2 6 j ；谐波分量还会导致电磁转矩的脉动，降低电机的 负载能力 2 7 3 1 】；电压谐波与电机部分固有空间谐波相互干涉，形成各种电磁激磁 力，产生电磁噪音与震动1 3 2 1 。因此，高次谐波对高速电主轴电机特性的影响分析 显得尤为重要1 3 卜4 。本章在分析s p w m 电压逆变器调制原理的基础上，深入分 析高次谐波对高速电主轴电机的效率、功率因数以及电磁转矩等性能的影响规律。 2 1s p w m 技术原理 2 1 1s p w m 脉冲的形成 正弦脉宽调制s p w m ( s i n u s o i d a lp u l s ew i a t hm o d u l a t i o n ) 技术是利用电力电 子器件的导通和关断，把直流电压变成一系列具有一定规律的电压脉冲序列，通 过控制脉冲宽度、脉冲序列现状和频率来模拟希望的输出信号，实现变频、变压 和消除谐波的一门技术。图2 1 所示是s p w m 调制原理( 以三角波调制为例) ， 它是利用三角波电压的参考电压( 图中为正弦电压) 相比较，以确定各分段矩形 脉冲的宽度。 图2 1s p w m 逆变器电路原理图 图2 1 所示为s p w m 调制的电路原理，在电压比较器的两输入端分别输入正 弦参考电压和三角载波电压，其输出端便得到s p w m 调制电压脉冲。s p w m 脉 冲宽度的确定由图2 2 得到。由于分别接至电压比较器的“+ ”和“一”输入端。显然 当时输出为高电平。反之，当时输出为低电平。图中的交点的距离随参考电压的 大小而变，而该交点之间的距离决定了电压比较器输出电压脉冲的宽度。因而可 以得到幅值相等而脉冲宽度不等的s p w m 电压信号。 图2 2 - a ) 为