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车磨复合机床尾架设计（100元）,复合,机床,架设,100
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北京信息科技大学 毕 业 设 计毕 业 设 计 （论文）（论文） 题题 目：目： 双转子永磁同步力矩电机设计 学学 院：院： 机电工程学院 专专 业：业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名：学生姓名： 田宏志 班级班级/ /学号学号 机械 1005/2010010145 指导老师指导老师/ /督导老师：督导老师： 杨庆东 起止时间：起止时间：2014 年 02 月 24 日 至至 2014 年 06 月 12 日 摘要 I 摘摘 要要 现代加工机械机床有多轴联动发展趋势， 为加工形态各异曲面进行硬件设备支持。 由此发展出数控机床五轴联动理论，并生产出具有高加工性能的五轴联动机床。 该种机床在 XYZ 轴联动的基础之上，增添了数控转台的 C 轴、A 轴转动，使复杂曲面的加工成为可能，由此也扩展了机床的加工范围。但是生产实际中对机床转台 C 轴的运动要求越来越高，尤其是以低转速、高精度、高转矩为目标，逐步发展出了直驱式的力矩电机转台，省去了传统的蜗轮蜗杆传动结构，简化转台结构，提高控制精度。但是输出转矩却因结构很难扩大而限制了进一步提高。 为扩大转台输出转矩， 提高机床加工能力， 与此同时转台体积不增加，本文在原单转子电机基础上提出一种内转子电机与外转子电机内嵌复合型的双转子永磁同步力矩电机。通过计算验证了该结构电机输出力矩可以在外转子电机输出力矩基础上提升 80%，体积却几乎不变。同时由于内外电机内嵌式复合，使得原转台结构不再适合新的设计结构，所以本文进行了适应性再设计，增加了水冷装置，以利于散热，同时保持了原数控转台的紧凑的特点。 关关键词：键词：永磁电机，双转子，数控转台，直接驱动 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 目录 III 目目 录录 摘摘 要要 . I Abstract . II 主要符号表主要符号表 . V 第一章第一章 绪论绪论 . 1 1.1 本课题来源 . 1 1.2 本课题意义 . 1 1.3 数控转台发展现状 . 1 1.3.1 蜗轮副传动数控转台 . 2 1.3.2 齿盘分度定位的等分数控转台. 2 1.3.3 凸轮结构驱动的数控转台 . 2 1.3.4 力矩电动机直接驱动的数控转台 . 2 1.4 永磁电机研究发展现状 . 3 1.4.1 永磁体研究现状 . 3 1.4.2 永磁电机发展现状 . 3 1.4.3 双转子永磁同步电机研究现状. 3 1.5 本课题目的 . 4 1.6 本文采用的研究计算方法 . 4 1.7 研究内容 . 4 1.7.1 本课题研究方向 . 4 1.7.2 本课题研究内容 . 4 1.7.3 系统功能 . 5 第二章第二章 双转子永磁同步力矩电机结构和原理双转子永磁同步力矩电机结构和原理 . 6 2.1 径向磁通永磁同步电动机 . 6 2.1.1 外置式永磁同步电机 . 6 2.1.2 内置式永磁同步电机 . 7 2.2 定子结构设计 . 7 2.3 双转子径向磁通永磁同步电机基本结构. 8 2.4 双转子径向磁通永磁同步力矩电机工作原理及特点 . 8 2.4.1 双转子径向磁通永磁同步力矩电机工作原理 . 8 2.4.2 双转子径向磁通永磁同步力矩电机特点 . 8 2.5 由双转子永磁同步力矩电机驱动的数控转台基本结构 . 9 2.6 本章小结 . 9 第三章第三章 双转子永磁同步力矩电机方案设计双转子永磁同步力矩电机方案设计 . 10 3.1 双转子永磁同步力矩电机应用背景说明. 10 3.2 电机基本结构设计 . 10 3.2.1 电机主体尺寸设计 . 10 3.2.2 额定数据和技术要求 . 10 3.2.3 气隙长度 . 11 3.2.4 永磁体尺寸设计 . 11 目录 IV 3.2.5 外定子尺寸设计 . 13 3.2.6 水槽结构设计 . 13 3.2.7 内定子尺寸设计 . 14 3.3 定子槽型设计 . 14 3.3.1 极槽配合的选择 . 14 3.3.2 外转子表贴式永磁同步电机定子结构设计 . 16 3.3.3 内转子表贴式永磁同步电机定子结构设计 . 16 3.4 绕组设计 . 17 3.5 磁通密度分析 . 20 3.5.1 气隙磁通密度 . 20 3.5.2 齿部磁通密度 . 21 3.5.3 计算电机最大输出转矩 . 22 3.6 本章小结 . 23 第四章第四章 双转子永磁同步力矩电机有限元分析双转子永磁同步力矩电机有限元分析 . 24 4.1 电磁场数值分析理论基础 . 24 4.2 电机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 计算结果分析 . 25 4.3 本章小结 . 26 第五章第五章 电机应用实例电机应用实例数控转台结构设计数控转台结构设计 . 27 5.1 转台总体设计要求 . 27 5.2 转台轴承以及定心轴轴承的选择和安装. 27 5.3 气动钳夹的选用 . 28 5.4 光栅的选用 . 29 5.5 转台装配结构 . 30 5.6 本章小结 . 32 第六章第六章 结论结论 . 33 6.1 论文所做工作 . 33 6.2 后绪工作 . 33 结束语结束语 . 34 参考文献参考文献 . 35 主要符号表 V 主主要符号表要符号表 a 并联支路数 efA 槽有效面积 iA 槽绝缘面积 mA 永磁体每极磁通截面积 sA 槽面积 tB 齿部磁通密度 1bo 槽口宽度 1oh 槽口高度 0b 永磁体空载工作点 0 空载漏磁系数 tb 齿宽 1mb 外电机永磁体贴片宽度 2mb 内电机永磁体贴片宽度 1mh 外永磁体贴片厚度 2mh 内外永磁体贴片厚度 D 转台的外径 11D 外定子外径 12D 外定子内径 21D 内定子外径 22D 内定子内径 0E 空载电动势 dK 集中绕组分布因数 pK 电机短矩因数 skK 斜槽因数 K 气隙磁通波形系数 L 电枢长度 efL 电枢计算长度 FeK 铁心叠压系数 1N 每相串联匝数 sN 每槽导体数 1tN 并绕根数 n 转速 f 频率 p 极对数 q 每极每相槽 Q 定子槽数 meT 电磁转矩 t 齿距 NlU 额定端电压 NU 额定相电压 dX 直轴同步电抗 qX 交轴同步电抗 m 相数 气隙长度 1 外电机气隙长度 2 内电机气隙长度 1s 外转子极距 2s 内转子极距 B 气隙磁通密度 rB 剩磁密度 r 永磁体材料相对回复磁导率 i 计算极弧系数 P 极弧系数 0 空载主磁通 fS 槽满率 双转子永磁同步力矩电机设计 1 第一章第一章 绪绪论论 1 1.1.1 本课题来源本课题来源 北京信息科技大学直驱功能部件研发实验室建设项目。 北京市教委“机械工程产学研联合研究生培养基地”项目（项目代码为：PXM2013_014224_000041） 。 1.1.2 2 本课题意义本课题意义 随着我国民用和军事工业的快速发展,制造业的前沿领域被不断开拓，人们对数控加工中心的需求也在不断提高,尤其是对多轴联动的数控加工中心。数控转台是多轴联动数控机床的主体部件之一,它在机床行业中发挥的作用也越来越重要1。 而数控转台的核心是电机，在电机领域，提高效率的一种重要途径是利用永磁电机代替感应电机。按照永磁材料类型， 永磁电机主要分成钕铁硼型永磁电机和铁氧体型永磁电机两种。 铁氧体永磁材料价格低廉，但磁性能较差，所以该种永磁电机具有相对较低的效率和转矩密度。 钕铁硼材料的磁性能优异，而且最近几年随着技术的发展稀土永磁材料的性能不断提升,而且钕铁硼永磁材料的成本已降低很多，由此该种电机愈来愈广泛地应用于生产一线。 提升电机效率及转矩密度，并逐步发展大容量， 已成为钕铁硼永磁电机研究的一个重要课题。 1.1.3 3 数控转台发展现状数控转台发展现状 数控转台是一关键机床附件，是机床上至关重要的部件之一。其应用是为了机床能够进行 C 轴回转加工，如图 1.1 所示，通过 C 轴、A 轴驱动转台完成断续或连续的加工任务，使客户得到满意的曲面加工产品，扩大加工范围2。近年，我国国产数控机床向高速、高效、高精度、柔性化、环保化方面飞速发展，数控转台的用户也提出了高更的需求。 图 1.1 双转台五轴机床的基本结构 图 1.1 中 A 向转轴安装在 X 向溜板上，围绕 X 向轴线摆动；C 向转台安装在 A 向转台上，在机床初始状态下，围绕 Z 向轴线转动；工件安装在 C 向转台上3。 现在市场上主要数控转台的结构如表 1.1 所示2： 双转子永磁同步力矩电机设计 2 表 1.1 现在市场上主要数控转台的结构 结构特点 分度定位方式 最小分度 锁紧方式 分度精度 蜗轮副传动 伺服电动机 0.001 液压/气压 1540至 端齿盘等分分度 端齿盘 1 液压/气压 2 凸轮等分分度 分度凸轮 60 /90 机械/液压 5 力矩电动机直接驱动 力矩电动机 0.001 液压/气压 3.1 蜗轮副传动数控转台蜗轮副传动数控转台 蜗轮副传动是数控转台主要的结构形式，在市场上应用广泛。这种转台的优点是可以任意分度，使用范围广，结构简单。缺点是蜗轮副制造水平要求高，精度、载重性能、精度保持性能一般。蜗轮蜗杆的配合精度、 耐用度以及可调性能， 决定了转台的品质。 国内外此类产品的差距具体体现在蜗轮副的选材、 制造精度、热处理水平和调整结构上。 3.2 齿盘分度定位的等分数控转台齿盘分度定位的等分数控转台 该转台的优势是：载重大、重复定位精度高、定位刚度好、精度保持性能好。缺点在于：不能任意角度分度，只能按端齿盘齿数进行等分角度的分度， 端齿盘制造精度要求很高等。等分数控转台的关键部件是端齿盘，端齿盘的分度精度直接决定了数控转台的精度2。 3.3 凸轮结构驱动的数控转台凸轮结构驱动的数控转台 采用弧面凸轮分度机构或者平面分度凸轮进行分度，机械锁紧， 普通电动机驱动， 实现固定角度等分分度。 优点是： 刚性好， 分度速度快， 负荷大， 使用普通电动机替代了高价的伺服电动机， 在控制上、 价格上、维护上有很大优越性。缺点是：凸轮分度机构的加工制造要求高，加工设备专业化程度高，需要由专业制造厂家提供。 3.4 力矩电动机直接驱动的数控转台力矩电动机直接驱动的数控转台 这种电机的轴不是以恒功率输出动力而是以恒力矩输出动力。力矩电机包括： 交流力矩电机、直流力矩电机、和无刷直流力矩电机。具有线性度好、大扭矩、过载能力强、响应快、力矩波动小、低转速等特点，直接驱动负载减小传动部分，提高系统的运行精度。但是因为取消了机械传动设备,所以这就要求转台电机自身能够产生较大的转矩，不过对于单转子力矩电机若要输出大转矩，就只能增大气隙面积， 故而增大了电机的体积。 现代数控转台要高转矩、高精度、高调速比、极致是零速定位,不仅如此，还要有高的静态刚度和动态刚度。当需要低速高转矩时,感应电机要同变速箱结合在一起。变速箱结构复杂，造价高,需维修，降低了系统效率。而且感应电机有着功率因数低、调速特性较差等缺点。所以,要用同步电机，并且要省去变速箱等中间传动机构，这便是直驱永磁同步电机，没有了蜗轮蜗杆机械传动,力矩电动机定子固定于转台壳体上，转台的台面与力矩电动机的转子相连，借助力矩电动机直驱转台台面作分度运动，便构成了力矩电动机转台4。 从结构上讲，力矩电动机转台缩短传动链，从而减少了由传动刚性、制造误差、安装误差等引起的不利双转子永磁同步力矩电机设计 3 影响，并且对闭环转台来讲有利于回转部分连接旋转编码器或角度编码器5。 1.1.4 4 永磁电机研究发展现状永磁电机研究发展现状 4.1 永磁体研究现状永磁体研究现状 1983 年，第三代稀土永磁材料钕铁硼由日本会津大学 H.Sagawa 教授用粉末冶金法制备出来，最大磁能积达到3288KJ/m。钕铁硼磁能积及矫力极高，且有高能量密度长处。最近几年随着稀土永磁材料性能的不断提高,一些永磁材料也被应用到电机制造领域,使得永磁电机得到快速发展。而且随着技术的发展，钕铁硼永磁材料成本已大大降低，所以该永磁材料于现代工业以及电子技术中广泛应用。 4.2 永磁电机发展现状永磁电机发展现状 永磁电动机由于采用永磁体励磁， 永磁同步电动机不再用励磁绕组和直流励磁电源， 没有了易出问题的集电环和电刷装置， 成为无刷电机， 大大减小了电机本身的机械结构。 故而其结构更为简单、 运行更为可靠，在效率提高方面具有非常大的潜能。 a涡轮涡杆传动型 b力矩电机型 图 1.2 不同型式转台 本课题主要讨论研究如图 1.2 (b)所示的旋转力矩电机。 在当代国际数控转台市场上,主要有美国、德国、日本、等几个公司品牌,高级市场几乎没有国产品牌, 2007 年 4 月北京国际机床展览会上,FANUC、 CYTEC、 SIMENS 等公司均有相应的力矩电机产品展出， 瑞士 ETEL公司,德国 REXROTH,美国 KOLLMORGEN 等公司均推出各自直驱转台力矩电机4，但是国内直接驱动力矩电机数控转台的研究技术还处于初级阶段。 高级数控转台采用永磁同步电机的直驱技术， 具有时间常数小、 损耗低、反应快等特点。 面贴式永磁电机其径向电枢反应较小， 等效气隙较大， 电流电压波形畸变率和磁场波形较小， 振动噪声性能优良。故本文选用面贴式永磁电机。 4.3 双转子永磁同步电机研究现状双转子永磁同步电机研究现状 双转子永磁环形力矩电机采用永磁径向充磁, 磁场垂直于转轴，这种新型电机,最先由国外的 Thomas A.Lipo 等人提出,并进行了理论研究和实验研究。2003 年起，我国华中科技大学电气学院曲荣海教授同Thomas A.Lipo 院士一起进行双转子永磁环形力矩电机研究，并在 IEEE 发表了研究论文678。但现在仅停留在初步理论和样机实验阶段。 双转子永磁同步力矩电机设计 4 1.1.5 5 本课题目的本课题目的 本课题着眼于当前数控机床发展前沿，对多轴联动数控机床的关键部件数控转台进行更深层次研究设计，紧跟数控机床时代发展要求，设计出双转子永磁同步力矩电机这种径向磁通内外复合的新型力矩电机，以用于提供加工所需的大的转矩。并进行进一步的电磁分析，以用于调节内外转子的齿槽转矩，争取更大程度的减小电机的转矩波动，提供相较于传统转台更高的稳定性和精度。为数控转台进一步发展提供一些理论指导。 电机有外转子和内转子两类， 但是，只有一个转子的力矩电机通过提高电机外径来提高电机的转矩。 数控机床的操作空间是有限的，因此，本文提出并研究了一种双转子永磁同步电机，可以提供高转矩密度。在外转子转台电机内部内嵌内转子电机，构成双转子电机结构。借此，在电机体积不变的情况下，提高电机气隙的有效面积，提高电机转矩，使电机具有较高的转矩密度9。 1.61.6 本文本文采用的研究计算采用的研究计算方法方法 现存的分析电机磁场的方法有两大类， 一类是传统的电机磁路计算， 另一类是现下应用广泛的电机磁场数值计算方法。 由于永磁电机转子永磁贴片的存在， 相较于传统感应电机磁路更加复杂， 为达到工程要求的计算精度，需要诸多修正因数，使计算效率下降、精度提高困难。而后者，由于计算机技术的不断发展，数值计算方法更为广泛地应用于工程设计中，不仅高效， 而且借助于计算机强大的分析计算能力，传统磁路法中部分理想化处理的部分可以更贴近实际地展开计算，使得精度大幅提高，而效率也进一步提升。 数值计算法中最常用的是有限差分法和有限元法。 以泰勒级数展开法为基础的有限差分法， 用网格节点上函数值差商离散替控制方程中的导数。 该方法直接将微分问题变成代数问题来求近似数值。 基于变分原理的有限元法和加权余量法， 求解计算域的基本思路是将其分成有限个独立单元， 每个单元选择合适的节点进行插值，将变量改写入一个插值函数的线性表达式，来离散求解微分方程。 本文选用有限元法，其在工程领域被广泛应用，可靠性已得到证可。而且有 ABAKUS、ANSYS 等多种有限元计算仿真软件可用于研究计算。 本文选用 ANSYS 软件下的专用于电磁场分析的 ANSOFT 组件进行电机转矩、电机气隙磁场的分析计算。 1 1.7.7 研究内容研究内容 .1 1 本课题研究方向本课题研究方向 本课题研究方向即是在外转子永磁同步电机的基础上， 设计增加内转子， 与外转子同角速度转动，共同带动数控机床转台稳定转动， 以提供稳定的大扭矩的 C 轴转动， 使多轴联动数控机床性能得到进一步提升。 .2 2 本课题研究内容本课题研究内容 依据当前国内外永磁同步电机的研究近况,在前人研究的基础上, 将径向磁场永磁环形力矩电机设计为双转子结构，以达到不变体积，增大力矩的目的。本文定为双转子径向磁场永磁环形力矩电机研究与设计。本文主要的研究内容如下: （1）对双转子永磁同步力矩电机的基本结构及运行原理作了简要的介绍，结合其工作原理给出了这种电机的一些分析方法，再对该电机的优缺点进一步的说明。 双转子永磁同步力矩电机设计 5 （2）确定电机的主要尺寸和基本结构，以及二维/三维机械结构设计。 （3）进行电机电磁设计，建立双转子永磁电机的磁路模型，对电机极数和槽数的选择进行细致讨论，并确定绕线方式。 （4）考虑电机的冷却方式，进行冷却结构的设计。 （5）在磁场仿真分析中，利用 Ansoft 有限元分析方法 （6） 完成工程图的生成、电磁设计报告的生成。 .3 3 系统功能系统功能 双转子永磁同步力矩电机通过在外转子永磁同步力矩电机基础上设计成与内转子复合的双转子结构，与转台结合同方向同角速度运行，以提供比单一转子更大的转矩。 同时试图通过两转子的相互影响，优化转台的运行稳定性，减小电机的转矩波动。 双转子永磁同步力矩电机设计 6 第第二二章章 双转子永磁同步力矩电机双转子永磁同步力矩电机结构和原理结构和原理 2.12.1 径径向磁通向磁通永磁同步永磁同步电电动动机机 永磁同步电机类别十分广泛， 根据本课题的研究需要， 将电机设计方向选定为径向磁通的双转子永磁同步力矩电机的设计。故针对径向磁通， 对内转子和外转子永磁同步电动机进行详尽阐述， 并对比面贴式与内置式电机优缺点，详尽阐述本文在设计电机方面的取舍与思路。 图 2.1 永磁交流电机分类10 .1 外置外置式式永磁同步电机永磁同步电机 图 2.2 外置式永磁同步电机永磁体安装位置 外置式永磁同步电机的永磁体在转子上的位置有如图 2.2 所示的面贴式和内插式两种方式。面贴式的电机中永磁体呈瓦片状贴在转子表面；而内插式则是将瓦片状的永磁体嵌入到转子中。 面贴式永磁同步电机有以下三个特点: (1) 永磁铁固定在转子铁心表面，转子速度低； (2) 较大的有效的气隙长度，较小的同步电抗，较小的电枢反应； (3) 气隙均匀，呈现隐极式同步电机的特点 双转子永磁同步力矩电机设计 7 内插式永磁同步电机则有以下特点: (1) 呈现凸极式同步电机的特点 (2) 动态性能好 (3) 漏磁大 (4) 成本相较于面贴式永磁同步电机要高。 .2 内内置置式永磁同步电机式永磁同步电机 图 2.3 内置式永磁同步电机转子结构 10 内置式永磁同步电机呈现凸极式同步电机的特点。 （1） 永久磁铁牢牢地嵌在转子铁芯，适合高速运行。 （2） 有效的空气间隙小， d 轴和 q 轴同步电抗大， 电枢反应磁势大， 所以有相当大的弱磁性的空间； （3） 直轴有效气隙比交轴大（一般为直轴的有效的空气间隙是交轴多倍） ，因此，直轴同步电抗小于交轴同步电抗，即：dqXX。 2.22.2 定子定子结构结构设计设计 对于定子结构设计，径向磁通的永磁同步电机齿槽形状是同样的。接下来阐述定子尺寸参具体计算过程。 a)梨形槽 b)梯形槽 c)半开口槽 d)开口槽 图 2.4 电机定子最常采用的槽形 梨形槽和梯形槽属于半闭口槽，槽底部宽于顶部，常用于功率 100kW 以下，电压 500V 以下电动机中。半开口槽用于分开的成型绕组，而开口槽用于高压（ 3000V）电动机。所以本文选用半闭口槽。梨形槽的槽面积利用率高，冲模寿命长，被广泛用于电机定子设计。梯形槽可认为是一种简化的梨形槽，为了保证电机性能，本文选用梨形槽。 双转子永磁同步力矩电机设计 8 2.32.3 双双转子转子径径向磁通向磁通永磁永磁同同步步电机电机基本基本结构结构 图 2.5 双转子径向磁通永磁同步电机整体结构图 如图 2.5 所示为本文所设计的电机的主体结构，其内外转子通过内六角螺钉连接，共同为转台工作提供转矩输出。因受转台结构整体设计影响，所以外转子有更多附加结构，以定位安装其他转台设备。而气隙长度的保证在于转台轴承，转台轴承保证转台台面、 电机转子总成与转台底座有非常高的同心度，而定子结构就是安装在转台底座上，保证稳定性。 图 2.6 双转子径向磁通永磁同步电机内外定子结构图 本文所设计的双转子径向磁通永磁同步电机定子结构如图 2.6 所示，其中包括了内电子的内定子和外电机的外定子。由于双转子电机发热量较之原单转子电机有大幅提升，所以将原单转子电机的风冷原理抛弃，改之以水冷原理，提高冷却效率。 2.42.4 双双转子转子径径向磁通永磁向磁通永磁同步力同步力矩电机矩电机工工作原理作原理及及特点特点 .1 双双转子转子径径向磁通永磁向磁通永磁同步同步力力矩矩电机电机工工作原理作原理 本文所设计的双转子永磁同步力矩电机是由内转子永磁同步力矩电机和外转子永磁同步力矩电机复合而成的。可以形象地描述为“套环” ，即外转子电机完全将内转子电机套在其中，也就是“嵌套” 。两者独立操作，但完全对称。因为中心对称结构，所以可以保证转子的同角速度运转，以免因为内外转子的角速度不同，导致输出转矩的内耗。它们的转子由螺钉连接，共同驱动转台转动，以保证数控机床加工时 C 轴足够的力矩输出。 .2 双双转子转子径径向磁通永磁向磁通永磁同步同步力矩力矩电机特点电机特点 内外转子以拱门式结构通过螺钉进行连接， 并保证同角速度旋转，共同提供转台工作转矩。这种结构充外定子 冷却水槽 内定子 外转子 外圈永磁 内圈永磁体 内转子 双转子永磁同步力矩电机设计 9 分利用了外转子电机闲置的内部空间， 获得了双层气隙，大大提高了有效气隙面积， 由此提高了转矩密度。 （1） 如果还是与之前单个外转子电机输出同样的转矩，则该双转子电机理论上会有更小的电机结构尺寸。 （2） 如果与之前单个外转子电机具有相同尺寸，将该电机将会输出更大的驱动转矩。 2.52.5 由双由双转子转子永永磁同步力矩电机磁同步力矩电机驱驱动动的的数控数控转转台基本结构台基本结构 由于本课题研究的是直驱原理在数控加工中的应用，进而将研究方向细化为在现有单转子力矩电机驱动转台的基础上设计开发双转子永磁力矩电机，并进而驱动转台工作。所以本文选取现有产品进行复合内转子电机设计。 转台完整装配图如下图所示。该结构的原型参照是西泰克公司 Cyturn 品牌下的 CRT/500/H 型力矩电机转台，转台的外径500Dmm，高度H=225mm。因为对电机进行重新设计，改造成双转子永磁同步电机，不仅内嵌了内转子电机，而且充分考虑发热问题，将原电机的风冷设计抛弃，改用结构较为复杂但冷却效果明显的水冷设备。所以其内部结构已与原电机大不相同。 图 2.7 Cyturn 力矩电机转台 2.62.6 本本章小结章小结 本章是对本文所设计的双转子永磁同步力矩电机的类属进行详尽的阐述，从层层类别划分上的逐步细化， 可以很清晰地整体的把握该电机的运行原理， 同时也说明了该类型电机的发展脉络， 有助于后续的进一步设计讲解。此外，针对电机设计的背景，对所设计的电机的应用场合（即转台）进行了整体结构展示，以期能够将本文的两大部分，即双转子永磁力矩电机设计和数控复合式力矩电机驱动的转台进行整体的概述，使文章使具层次感。 双转子永磁同步力矩电机设计 10 第第三章三章 双双转子永磁转子永磁同步力矩同步力矩电机方案设计电机方案设计 3.1 3.1 双双转子永磁转子永磁同步力矩同步力矩电机电机应用应用背景背景说明说明 双转子永磁同步力矩电机是在单转子同步力矩电机的基础上， 以复合式力矩电机设计为指导思想， 进行内外电机复合而最终确定的电机类型。本文所设计的双转子永磁同步力矩电机，是在原力矩电机转台的外转子力矩电机的基础上， 复合一内转子永磁同步力矩电机， 构成双转子永磁同步力矩电机。以期达到提高空间利用率，体积不变的前提下，提高电机的输出转矩，提高转台运行转矩，增大机床加工能大，扩大机床加工范围。因在原电机基础上复合一电机，对结构的改变很大，所以要相应地对转台结构进行适应性设计，以合理利用空间，保证转台能力得到提升。 3.3.2 2 电机电机基本基本结构结构设计设计 要想对电机进行设计，必须要掌握设计电机的各项约束条件，如对电机外径的要求、高度的限制等。这将在下文展开说明，只有对转台进行细致设计， 才能得到准确的电机基本结构参数。 而转台的设计将在后文进行阐述，此处将转台设计的结果，即电机的尺寸先行介绍，以便突出电机设计的主题。 3.3.2 2.1.1 电电机机主体尺寸主体尺寸设计设计 对于径向磁通力矩电机，增大额定力矩的最有效办法就是增大电机半径，正是由于电机的尺寸在很多场合受到限制，但是又要求大的输出力矩，所以本文提出了双转子电机构想。但是尺寸增大对性能的提升是决定性的，所以本文依然争取在有限空间内设计更大的直径的电机，以提高电机输出力矩。 图 3.1 原力矩电机转台部分结构参数 根据本文设计方案，如下文图 5.5 所示，外定子外径达到 378mm,已超原电机图中的 362mm,远大于原电机外定子外径。主要原因在于本文设计的转台，台面直径未变，不过将底座扩大，以期能提供更大的空间给予电机设计，这是本文所设计电机的改进之一。 3.3.2 2. .2 2 额定额定数据和数据和技技术要求术要求 由原转台电机参数， 双转子永磁同步力矩电机设计 11 表 3.1 原转台电机参数 电机 连续运转扭矩: 200Nm 最大扭矩: 450Nm 额定电压: 400V 额定电流 10A 相 数3m ， 额 定 电 压400NlUV， 10IA， 采 用Y星 形 接 法 ，400230.9433NlNUUVV额定相电压 .3 气气隙长度隙长度 电动机定子和转子之间的间隙被称为气隙。气隙的大小对电机整体性能影响很大，气隙过大则磁阻增大，励磁电流增大，将导致电动机功率因数的降低。然而气隙又不能过小，由于热膨胀、加工和安装时的误差因素， 过小的气隙可能造成定转子互相摩檫的现象， 影响电机寿命。中小电机气隙一般在 0.22.0mm 之间为宜。 由经验公式气隙长度 0.1 0.002()inDmm inD为定子槽口所在圆直径。 外电机气隙长度为 1110.1 0.0020.1 0.002 378)0.856Dmmmm（ 内电机气隙长度为 2220.1 0.0020.1 0.002 220)0.54Dmmmm（ 圆整为11mm外电机气隙长度，20.6mm内电机气隙长度 3.3.2 2.4.4 永永磁体尺寸磁体尺寸设计设计 在现代工业和电机技术中广泛应用的永磁材料是钕铁硼。相较于传统永磁材料铁氧体，钕铁硼磁性能好，具有极高的能量密度、磁能积和矫力。而且最近几年随着技术的发展，稀土永磁材料性能的不断提高,该材料成本已大大降低，因此该种电机越来越广泛地应用于生产一线。 永磁体尺寸参数为如下三个，轴向长度ml，磁化方向长度mh以及宽度mb。 经过电机应用转台的详尽设计， 并力求电机径向尺寸的最大化， 将永磁体轴向长度确定为内外定子的高度85mm。 双转子永磁同步力矩电机设计 12 永磁体磁化方向长度mh的大小决定了电机的抗去磁能力， 而mb不仅会影响气隙密度以及齿槽转矩的大小，并且过大的mb会浪费永磁材料，无法进一步提高电机性能，反而由于过重拖累了电机，减小了输出力矩。 工程中常用方法是先预估，确定好一个初值，方便后续设计。之后再根据具体的电磁性能的计算，对前期数值进行调整。所以设计过程是一个不断回溯优化的过程。 预估公式为: 1rmrhBB mPsb 其中 B基波气隙磁通密度幅值 rB剩磁密度 1.11.35rBB 气隙长度 s电机转子极距 r永磁体材料相对回复磁导率 P极弧系数 为方便电机设计、加工、维修，此处以外电机的外转子用永磁体贴片为模板，设计内电机的内转子永磁体贴片。即所有永磁体贴片均大小一致，便于安装、维修。 根据转台的实际工作情况， 为尽量避免高温致永磁体退磁， 选用钕铁硼30H， 其最高工作温度为120 C。 具体参数如下： rB1.08T剩磁感应强度，经典值rB1.1T Hc796 KA/m矫顽力 3max BH223KJ/m最大磁能积 37301.11.0910410800 10rrBHe相对回复磁导率 720410/N A真空磁导率 外永磁体贴片厚度111.091 10.91.1 11rmrhBB 内外永磁体贴片厚度221.090.66.541.1 11rmrhBB 因为是按较小值选取rBB，所以向小的方向圆整得110mhmm，26mhmm 双转子永磁同步力矩电机设计 13 外转子极距1378219.9060s 内转子极距2220 111.4760s 外电机永磁体贴片宽度1137820.917.9160mP sbmm ，圆整 18mm。 内电机永磁体贴片宽度22220 10.910.3260mPsbmm ，圆整 11mm。 mA 永磁体每极磁通截面积 11mmmAbl 23218 851.53 10mmm 22mmmAbl 24211 859.35 10mmm .5 外定外定子尺寸设子尺寸设计计 受到转台整体结构的限制，电机的尺寸不能任意得扩大以增大输出力矩。通过对转台细致的结构设计（其结构将在下文细致阐述） ，得到外定子可设计的最大直径为11378mmD ,根据第二章所设计的齿槽的大小，确定下来外电机定子的厚度130hmm，固外电机的定子内径为12318mmD 。 .6 水水槽结构槽结构设计设计 由于复合一内转子永磁同步力矩电机， 整体发热量比较大， 并且原电机也采用的水冷方式进行冷却， 故而本文采用了水冷原理， 在内外定子之间加装冷却水通道。比原转台电机冷却功率大两倍的/200/CRTH型转台用冷却水进出水管路接口为1/8G螺纹，内径为8.5mm,故而本文参考后设计内管路直径为8mm 该冷却结构加工较为简单，并且充分考虑换热面积， 在狭窄的空间里提高接触面积，图 3.4 清晰展现在水冷的内部循环过程， 本文采用 M 型水冷设计保证水冷降温效果。由于用于数控机床，所以可以借助机床的冷却液系统，所以对于转台电机水冷来说，并不会给机床带来额外的负担。 双转子永磁同步力矩电机设计 14 图 3.2 水套总成 图 3.3 水套总成剖面图 图 3.4 M 型水套内部结构图 .7 内内定子尺寸设计定子尺寸设计 内定子除受制于转台整体尺寸，即转台直径0500Dmm的限制外，还因外电机占据部分空间而不得不向内压缩。不仅如此，在内电机的外圈还要安装冷却水套，以避免电机运行过热，造成永磁体退磁，降低电机性能。所以，经最大限度的设计，按第二章所示详尽设计完内电机定子齿槽以后，内电机定子尺寸设计如下： 内定子外径 21266Dmm 内定子内径 22220Dmm 3.33.3 定定子槽型设计子槽型设计 .1 极极槽配合槽配合的的选择选择 在电机设计中， 电动机极对数符号为p, 而电机中极数， 也就是磁极总是成对存在的， 所以极数为2p。 同步电机转速为60fnp，其中f是电机定子绕组三相电频率。因为永磁同步力矩电机的磁极是由永磁体提供，一旦永磁体贴片尺寸确定，外转子磁场也就是结构性的确定了，是无法更改的。所以永磁同步电机的水套上盖 M 型水套 水套下盖 进水口宝塔接头 出水口宝塔接头 内定子线圈通道 双转子永磁同步力矩电机设计 15 调速方式只有改变频率f这一种方法。 因为本文只阐述电机结构设计， 不涉及电机的控制系统设计， 故此处不再深入探讨。 定子齿槽用于安放定子线圈，槽数越多，气隙磁阻的散乱程度越小，进而降低了力矩波动，因此提高槽数对电机性能的提升至关重要。但是由于槽数的增加，定子齿的宽度变小，拉高了加工难度，增大了成本，这是电机设计时的限制因素。所以为了性能与成本的平衡，极槽的配合值得进一步探讨。 电机设计，很重要的一个参数是每极每相槽q: 2Qqpm 其中： 2Qpm定子总槽数磁极个数相数 本文中电流采用三相电，3m 。 电机设计时，对极数有以下 3 个设计要求: (1)极数是偶数; (2)电机的极对数不能是电机相数的倍数; (3)电机的极数和槽数不相等，并且槽数必须是相数的倍数。 根据原转台的产品说明书，可得其极对数为 30，槽数为 72。即内外电机槽极比均为7260。每极每相槽数722260 35Qqpm。该槽数极数的设计符合上文所述电机极槽配合的要求，并且由于本文设计的电机是在原电机基础上复合一内转子永磁同步电机，并保证同角速度运转。所以，为简化设计，并争取对原电机的核心定转子的改动最小，在此设计思路指导下，保留原电机的极槽配合。 q为分数时，绕组为分数槽绕组；q为整数时，绕组为整数槽绕组。本文选用的是分数槽绕组的电机具有小齿槽转矩、低噪音等优点。 双转子永磁同步力矩电机设计 16 .2 外转外转子子表表贴式永磁同步电机贴式永磁同步电机定子定子结构结构设计设计 图 3.5 电机外转子结构、尺寸示意图 槽口尺寸受冲压模具制造、电气性能、下线工艺等多方面因素制约，一般取值2.5 4.0mm，本文采用的漆包线直径 d=1mm。考虑下线时留有余量，参照已有电机选1b3omm，1b5mm，10.8,ohmm1212hmm。一般设计1301112。 齿宽11112()ostDhhbbQ 1111tan2osbbh 本文中111115 3tan300.5770.5770.577222oosbbbbhmmmm 11112()3782 (0.80.577)511.3772ostDhhbbmmmmQ 齿距DtQ 112112()3782 (0.8 12)11.3729.692722otDhhbRmmmmQ 011openbkb 其中Q为定子槽数，tb为齿宽，D 为外定子外径 槽面积计算方程 211112111(2)22sAbRhhR（） 2211(59.69)1229.6928110.32mm（） mmh槽楔厚度，取 2 .3 内转内转子子表表贴式永磁同步电机贴式永磁同步电机定子定子结构结构设计设计 图 3.6 电机内转子结构、尺寸示意图 双转子永磁同步力矩电机设计 17 参照已有电机选1b2.8omm，1b4.5mm，10.8,ohmm1213hmm。一般设计1301112。 齿宽 11212()ostDhhbbQ 1111tan2osbbh 本文中111114.52.8tan300.5770.5770.49222oosbbbbhmmmm 所以 11212()2202(0.80.49)4.55.272ostDhhbbmmQ 齿距DtQ 11137816.4972DtmmmmQ 11212()2202 (0.8 13)4.628.52722otDhhbRmmmmQ 011openbkb 其中Q为定子槽数，tb为齿宽，D 为内定子内径 槽面积计算方程 221112111(2) ()22sAbRhhR 2211(4.58.5) (13 1)8.528106.373mm mmh槽楔厚度，取 1 3.3.4 4 绕绕组设计组设计 因为力矩电机驱动数控转台进行机械加工， 而实际加工中常要求转台转速很低， 所以永磁力矩电机必须设计成多极结构，采用极槽数相近的配合，以减小齿槽转矩，提高运行的平稳性，保证加工时的精度。 对于多极多槽的永磁电机，尤其是槽数、极数相近的电机，为了提高转矩密度、简化生产工艺，现实生产中通常选用节距1y 的分数槽集中绕组，所谓集中，指一个绕组集中环绕一个齿上，无端部重叠。线圈只缠绕在一个齿上，因为跨距小，缩短了线圈周长，同时减小了端部伸出长度，降低了用铜量。 对于单双层绕组选择问题，双层绕组相比于单层绕组，其电机磁路更加合理, 单层绕组电机在电枢反应时会造成更为严重的局部饱和13。 双转子永磁同步力矩电机设计 18 集中绕组分布因数11dK，电机短矩因数1sin()2pK。 ymq 152635ymq 1sin()2pK 56sin()0.9662 本文选用直槽，故斜槽因数11skK 绕组因数111dpdpskKK K K 1 0.966 10.966 永磁体空载工作点，假定值外电机010.85b ，内电机020.90b 空载漏磁系数假定值外电机011.28，内电机021.20 空载主磁通400010rmb B A mA 永磁体每极磁通载面积 由前面计算得 3211.53 10mAm；4229.35 10mAm 所以，外电机空载主磁通0110101rmb B A 330.85 1.1 1.53 101.281.12 10 Wb 内电机空载主磁通02020rmb B A 440.90 1.1 9.35 101.208.41 10 Wb 空载电动势 0NeUEK 230.94177.61781.3VVV eK 电压系数，1.051.3eK ，取1.3 双转子永磁同步力矩电机设计 19 外电机近似极弧系数为111180.905378260mpsb 计算极弧系数1111140.95361ipsp 内电机近似极弧系数为222110.959220 160mpsb 计算弧极系数 2222240.98361ipsp 气隙磁通波形系数28sin2iiK 11221880.953sinsin()0.84820.9532iiK 22222880.983sinsin()0.82420.9832iiK 外电机每相串联匝数 10113010.848 178628.454.444.44 50 0.966 1.12 10wKENfk 取为11648N 外定子每槽导体数 111sNaNpq 648 1230554 a并联支路数， 取a=1 内电机每相串联匝数 20124020.824 178813.2444.444.44 50 0.966 8.41 10wKENfk 取为12816N 内定子每槽导体数 122sNaNpq 816 1230568 槽绝缘面积，对于双层绕组为12111(22)iiAChRRb，双转子永磁同步力矩电机设计 20 iCmm式中槽绝缘厚度，取为0.2 可得，外电机21121119.69(22)0.22iiAChRRbmm（2 12+9.69+5）=10.78 内电机22121118.5(22)0.2 (2 138.52iiAChRRbmm+4.5)=10.47 并绕根数1tN 槽有效面积efsiAAA 外定子2111110.32 10.7899.54efsiAAAmm 内定子2222106.373 10.4795.903efsiAAAmm 导线直径均为01dmm，导线绝缘后直径1.08idmm 导线有规则排列所占面积2dtsiAN N d 外电机2222111 53 1.0861.82dtsiAN N dmmmm 内电机2222221 68 1.0879.32dtsiAN N dmmmm 外定子槽满率11161.82100%62.11%99.54dfefASA 内定子槽满率12179.32100%82.7%95.903dfefASA 由于极数很多，而内转子外径受限，所以导致永磁体每极磁通截面积较小，空载主磁通较小，所以最后计算获得的槽满率有些偏高，仍在可接受范围内。有待进一步改进。 3.5 3.5 磁磁通密度分析通密度分析 3.5.1 3.5.1 气气隙隙磁磁通密度通密度 气隙磁通密度B 是十分关建的参数。在整个电机设计过程中均与B有关。其最大值公式为 1rleakmcmB kBkh 其中：rB 剩磁密度 相对回复磁导率 ck 卡特系数 211()5copenopentkkbtkb 11,oopenbktb齿距 leakk代表两紧靠永磁体间漏磁通 7100(0.5)60100leakpk 双转子永磁同步力矩电机设计 21 177 30100(0.5)100(0.5)60600.97100100leakpk 11137816.4972DtmmQ 11130.65oopenbkb 1121 111 11t16.491.07()516.4955 15copenopenkkbtkb 2（0.6）0.6 111111.1 0.970.96( )1.09 1 1.071110rleakmcmB kBTkh 11.11.1460.96rrmBBBB因为，与之前假设1.1rBB，仅有 4.2%的误差，所以假设是合理的。计算相关参数即为上文所示。 内电机相关系数参照公式计算结果如下所示： 1212.80.624.5oopenbkb 177 30100(0.5)100(0.5)60600.97100100leakpk 2222209.6072DtmmQ 222221 121 129.601.16()9.605 0.65copenopentkkbtkb 2（0.62 4.5）0.62 4.5 122121.1 0.970.97( )1.09 0.5 1.16116rleakmcmB kBTkh 3.5.2 3.5.2 齿齿部部磁磁通密度通密度 齿部磁通密度tsB产生于转子上的永磁体。齿部磁密的分析计算能反映许多电机设计中的问题，是关键的参数。若齿部磁通密度过大，则齿部因饱和而造成过大齿部漏磁，一般小于 1.8T14。若齿部磁密过小，永磁体材料不能充分利用，浪费永磁体材料使得成本的提高。 公式如下： efttFeB tLBb K L t齿距 双转子永磁同步力矩电机设计 22 efL 电枢计算长度， 2efLL FeK 铁心叠压系数，取0.96 所以， 外电机1 111110.96 16.49 (852 1)1.4811.3785efttFeB t LBTb K L 0.96 内电机2 222220.97 9.60 (852 0.6)1.895.2 0.96 85efttFeB t LBTb K L .3 计算计算电机电机最最大大输出转输出转矩矩 由下式15，各参数单位均为国际主单位： 20m20 128mrmmsdpeiK b B L b D mN QIKTap 前文计算各参数值： 永磁体空载工作点 外电机010.85b ，内电机020.90b 空载漏磁系数 外电机011.28，内电机021.20 极距 外转子119.90smm，内转子211.47smm 气隙磁通波形系数 外电机10.848K，内电机20.824K 可得内外电机的转矩计算结果为： 外电机： 21 01111m12101128rmmsdpeisK b B L b DmN QIKTap 24220.848 0.85 1.1 8.5 1.8 37.83 54 72 10 0.966 108 1 0.953 1.28 1.99030748N mN m 内电机： 2202222m22202228rmmsdpeisKbB L b DmN QIKTap 24220.824 0.90 1.1 8.5 1.1 223 68 72 10 0.966 108 1 0.983 1.20 1.14730625N mN m 总转矩 m1m27486251372emeeTTTN mN mN m 由计算结果可得m2m162583.56%748eeTT， 该设计中内电机电磁转矩已达到外电机电磁转矩的 80%， 可见其对电机性能提升的作力之大，也表明本文设计方向的合理性。相比于原电机的额定转矩600N m，由于双转子永磁同步力矩电机设计 23 转台结构重新设计致使电机结构的扩大以及内嵌电机构成双转子的电机两重因素影响，本文设计电机已超出原电机性能一倍。 表 3.2 电机参数 电机参数 数值单位 相数(m) 3 极数(2p) 60 槽数(SN) 72 电枢铁心长(L) 85mm 外定子外径(11D) 378mm 外定子内径(12D) 318mm 外电机气隙长度(1) 1mm 外转子永磁体宽度(1mb) 18mm 外转子永磁体厚度(1mh) 10mm 外定子槽每槽导体数(1sN) 54 外定子槽满率(1fS) 62.11% 外电机电磁转矩(m1eT) 748N m 内定子外径(21D) 266mm 内定子内径(22D) 220mm 内电机气隙长度(2) 0.6mm 内转子永磁体宽度(2mb) 11mm 内转子永磁体厚度(2mh) 6mm 内定子槽每槽导体数(2sN) 68 内定子槽满率(2fS) 82.70% 内电机电磁转矩(m2eT) 625N m 3.6 3.6 本本章小章小结结 本章是有关电机设计计算的关键一章， 通过对内外电机极槽配合的选择、 定子整体尺寸、 槽尺寸以及转子整体尺寸、永磁体尺寸的设计，完成了电机主体的所有设计过程，获得了完整的电机芯。由此，电机的性能也已确定下来。 通过数据对比可以看出， 内嵌内转子永磁同步力矩电机不仅增大了空间利用率， 而且电机输出力矩增大 80%以上，实现了体积几乎不变的情况下，大幅提高电机输出转矩的研究预期。不过由于内外电机同时工作，电机发热也成了一个问题， 所以设计了占电机近三分之一体积的水冷结构，增加了电机的复杂程度，因为应用于转台，所以水冷设备可以与数控机床共用，使结构不致复杂更多。其具体散热性能还有待进一步研究。 双转子永磁同步力矩电机设计 24 第第四章四章 双双转子永磁转子永磁同步力矩同步力矩电机电机有有限限元元分析分析 4.1 4.1 电磁场数电磁场数值分值分析析理论基础理论基础 计算机的产生，使得人们的处理复杂计算的能力大幅提升。 由于电磁场问题分析复杂的原因， 传统分析方法以一系列的简化措施为手段， 得到场的近似解析解。这一直制约着电磁场分析精确化的进一步发展。 由于计算机应用的逐步广泛， 渐渐形成了电磁场数值分析这一新兴学科。 电磁场数值分析常用有两种方法16：有限差分法和有限元法。 有限差分法的基础是差分原理， 用各离散点上函数的差商近似代替该点的偏导数，将要求解的边值问题转成一组对应的差分方程问题。有限元法以变分原理为基础，用剖分插值的方法建立各自由度间相互关系，将二次泛函极值问题转为一组多元代数方程组来求解。 由于有限元法在工程上的广泛应用，现有十分成熟的工程软件进行工程分析。并且，其算法的准确性已得到工程实践的不断检验，所以本文采用有限元法进行数值分析，而采用的工程软件即为 Ansys 下的 Ansoft 组件中的 maxwell 模块，用于专业的电磁分析。 4.24.2 电电机部分性能机部分性能有有限元限元仿真仿真分析分析 1717 4.2.1 4.2.1 建模建模 为完成永磁同步力矩电机的电磁分析， 首先要建立电机数学模型。 由前面计算所得到的内外转子内外径数据、定子齿槽尺寸数据、水套结构数据以及线圈绕线方式等数据输入建立模型如图 4.3 所示： 其中永磁体选用NdFe30，内外定子选用 50DW470 型硅钢片，其磁化曲线如图 4.1 所示。线圈材料为“copper”，即铜导线。内外转子以及 M 型水槽均选用 10 号钢，在 maxwell 中型号为 steel_1010，其磁化曲线如图 4.2 所示。 图 4.1 50DW470 硅钢片磁化曲线 图 4.2 steel_1010 磁化曲线 由两材料磁化曲线可看出，当磁场强度达到 500A/m 时， 50DW470硅钢片磁通密度已达到 1.7T，而steel_1010在磁场强度52.5 10/A m时磁通密度才刚达到2.3T。所以可以看出 10 号钢虽然结构性能较优，适用于电机对机械结构强度、刚度等方面的要求，但是其磁化性能与硅钢片相比却相差太远。 双转子永磁同步力矩电机设计 25 图 4.3 电机建模模型 4.2.2 4.2.2 求求解解 为减化计算，根据对称性原理，取电机的14进行分析。根据不同结构的重要程度以及计算精度要求，本文选用 Maxwell 的自适应网格剖分，对转子网格划分细致， 定子网格划分较之转子略为粗糙一些。 最后的水槽网格划分最为粗糙。 图 4.4 电机空载磁场分布情况 由图中可以看出，电机空截磁场分布与理论分析是一致的，均按30对称分布。 4.2.3 4.2.3 计算计算结果结果分析分析 原电机额定电流 10A，设定三相线直流电流为 10A 时，线圈通电后的 Maxwell 分析结果如图 4.5 所示。 图 4.5 三相线通入额定电流大小的直流后的磁场分布 双转子永磁同步力矩电机设计 26 从图中可以看出，由于定子线圈通电产生磁场，定子齿轭磁场明显增强。但是由于水套的材料为 10 号钢，其磁导率很低，所以在定子与水槽之间有明显的磁场界线。 后处理所得计算结果， 如图 4.6所示为内外圈每相绕组电感值可供后期样机制做时绕线检查参考使用。 图 4.6 内外圈每相绕组电感值 图 4.7 转矩值 此定转子角度下额定电流 10A 时力矩值为3.5147TN m，此是电机长度 1m，14周期数值。故本电机此角度配合下力矩值为3.5147 0.085 41.19TN m 。 由于此时没有使转子磁极的位置与绕组电流同步，所以我们还得不到能够获得最大转矩的优化激励值。 定子与转子间角度相差不同的话， 可以得到不同的转矩值。本文对此未进一步分析，因电机很多性能参数还需分析，故本文不再深入讨论。留待后期进行专文处理分析。 4.3 4.3 本本章小结章小结 本章是对所设计电机部分电磁参数进行分析。 对电机空载情况下， 永磁体磁场分布进行了有限元仿真分析，其磁场分布结果与理论相符，呈现30对称分布形式。后又进行了三相电通电磁场分析，可以观察到定子磁场密度有很大的提升。并得出每相线圈的电感值矩阵， 供后期样机设计参考使用。因转子磁极位置与绕组电流未能同步，所以所得转矩值很小。 双转子永磁同步力矩电机设计 27 第五第五章章 电机电机应用实例应用实例数控转数控转台台结构结构设计设计 虽然本文针对的是双转子永磁同步力矩电机的设计， 但是本文也不忽视电机的应用， 即电机驱动转控转台运行。我们的目的是用力矩电机与数控转台结合，运用直驱，即直接驱动技术控制转台运行。所以数控转台与电机是一体的，因而转台就是电机的外壳。而直驱电机的安装是重中之重，所以电机外壳，也就是转台的设计同样也是本文所关注的点。 如表 5.1 所示，为原力矩电机转台的整体结构参数，以此为基础阐述本文设计的双转子永磁力矩电机驱动的改进版转台结构。 表 5.1 原力矩电机转台参数 转台参数 型号 CRT/500/H 转台直径 500mm 转台尺寸 高 H:225mm 最大负载重量 800kg 水平 最高速度(可选) 300r.p.m. 平面度 0.01mm 摆角范围 连续 5.5.1 1 转转台台总总体体设计设计要要求求 由原力矩电机转台结构，本设计课题要求转台的直径为500mm。因实验室自身条件限制，本设计没有原电机全套部件可供选择，故而许多功能部件要另行设计。根据实验室自身条件以及转台结构精简原则，选用气动刹车系统，即选用气动钳夹进行加工时的定角度转台台面锁紧。由于双电机复合，发热量大，要求有强有力的冷却系统，故选用循环水冷系统。对于伺服控制，则用光栅传感器进行角度的测量反溃。为保证转台精度，依然选用带预紧力的双面轴承作为转台轴承。 5 5.2.2 转转台轴承台轴承以以及定心轴轴承的及定心轴轴承的选选择择和安装和安装 因为转台台面是工作面， 保证其回转精度是基本要求， 也是重中之重。除此之外还要求轴承有高精度、低摩擦性能、高钢度。为此，根据原转台设计时选用的轴承类型，本文设计转台选用带预紧力的双面圆柱滚子轴承。 图 5.1 转台用双面圆柱滚子轴承 双转子永磁同步力矩电机设计 28 其结构如图 5.1 所示，类似躺着的“凸”字。其特色在于上下两层圆柱滚子之外还有一圆周的圆柱滚子， 位于“凹”字内圈内心与“一”字外圈之间， 这一圈滚子保证了转台工作时的同心度。整体设计在保证低摩擦性能的同时，也保证了高钢度和高回转精度。是转台设计中常用的推力滚子轴承类型。 本设计选用了专用的转台轴承，根据转台设计的内径， 最终确定型号为 YRT325。YRT 轴承由一个推力座圈，一个推力轴圈，一个推力垫圈，两个滚针保持架组件和一组向心圆柱滚子组成。座圈和轴圈有均布的安装用螺钉孔。该型轴承具有高轴向和径向承载能力。高倾斜刚度和极高的精度。 安装时，外圈固定在转台外壳上，为定圈；内圈固定在转子磁轭上，为动圈，同时转台台面通过螺钉与轴承内圈相连，以实现台面、轴承内圈和转子的同步运动。安装时需予以一定的轴向预紧力，消除游隙。只需按其安装规范进行预紧便可保装使用要求，简化了安装过程，提高了安装精度。 5 5.3 .3 气动气动钳夹的钳夹的选选用用 钳夹是一种制动部件， 专业用于数控转台的制动， 不仅用于转台的停车， 也用于零件加工时固定转台，保证加工的稳定性。本文设计的转台选用的是德国黑马机械仪器防护有限公司(HEMA Maschinen und Apparateschutz GmbH)的 RotoClamp 圆周钳夹系统。 图 5.2 气动钳夹内部结构图 a 打开锁定 b 钳夹工作 图 5.3 钳夹工作原理示意图 气体从 Open 口进入时，弹簧皮腔充气，钳夹可接触面被拉离外圆周轴体，锁定打开，此时转台可随意旋转。当钳夹工作时，从 Close 口进气，将弹簧皮腔中气体挤出，气体压紧钳夹装置外圆周的轴向接触面，与轴杆法兰紧紧贴合，利用摩擦力牢牢固定转台，保证制动效果，确保加工时转台稳定不动，又能快速打开锁定，迅速转至另一角度固定转台，保证加工的流畅性，提高可控性。 根据加工需要，并且考虑到转台整体结构，选用 RCO255N 型外圆周气动钳夹，其性能参数如表 5.2 所示： 双转子永磁同步力矩电机设计 29 表 5.2 RCO255N 型外圆周气动钳夹性能参数 型号 外径mm 内径mm 钳夹保持力矩N m RCO255N 130 255 最低 最高 756 1944 如表 5.3 所示，原转台采用液压夹紧，最大夹紧扭矩为 2000N。本转台所用钳夹基本达要原钳夹性能，已满足转台设计要求。并且该钳夹为气动驱动，较原转台的液压驱动，设计、安装以及维护的成本低，是该转台较之原转台的一大优势。 表 5.3 原转台夹紧设备性能 夹紧 夹紧扭矩： 2000Nm 最大夹紧压力: 70bar 液压 5 5.4 .4 光光栅的选用栅的选用 数控回转工作台工作精度除了受制于轴承的合理选用外， 还依赖于伺服系统的控制精度。 伺服系统是数控机床上重要的组成部分，同时也是区分数控机床与普通机床的关键所在。数控机床现对进给伺服系统性能指标的要求有以下三点: 定位精度高，响应速度快，稳定性好18。而位置传感器的精度最直接影响转台伺服系统的定位精度，进而影响机床加工精度。由于光栅传感器适应范围广、稳定性高、抗干扰能力强，所以经常被选用进行距离测量。本文所设计转台也采用光栅作为数控回转工作台的位置测量设备。 由于转台运动是回转运动，所以选用圆光栅，以进行角度监测。 图 5.4 圆光栅产品图 如表 5.4 所示，原转台的定位精度已达到2.5，所以在选择光栅时，必须进行精确计算，以保证转台定位系统性能。 双转子永磁同步力矩电机设计 30 表 5.4 原转台角度测量系统参数 角度测量系统 信号: 1Vppsin /cos 测量方法: 增量/绝对 定位精度: 2.5 本文所采用的光棚系统是雷尼绍（Renishaw）公司 Signum 光栅系统下的 RESM 型圆光栅。原转台角度测量系统的定位精度为2.5，根据本文设计的转台所用光栅的外径为052Dmm，故2.5的定位精度对应周长计算如下： 402.560 60523.15 100.315360360lDmmmmm 所以根据设计要求，光栅分辨率要高于0.315 m，故本文选用了SiNN0002型接口的 RESM 型圆光栅，分辨率为0.2 m，最高工作温度达85 C。 5.5 5.5 转台转台装配装配结构结构 综上所述，转台各部分组件已设计选定，将各结构元器件组装应用于本文要设计的转台之中， 装配成完一台完整的应用双转子永磁力矩电机的数控转台，其装配图如图 5.5 所示，其各部件装配顺序及数量关系列于表 5.5，以便对设备安装过程有一个整体的认识。 1 底座; 2 宝塔接头; 3 水套下盖; 4 轴承压板; 5 M 型水套; 6 外圈永磁体; 7 外壳; 8 定心轴轴承; 9 内圈永磁体; 10 外转子线圈总成; 11 线圈压板; 12 内转子线圈总成; 13 转台轴承; 14 内转子; 15 外转子; 16 轴杆法兰; 17 L 型气管接头; 18 钳夹; 19 定心轴; 20 L 型快接插头; 21 快插接头; 22 光栅盘; 23 转台台面; 24 读数头; 25 读数头转换板; 26 水套上盖; 27 金属闷盖; B1 内六角圆柱头螺钉M8 30; B2 内六角圆柱头螺钉M8 70; B3 内六角圆柱头螺钉M8 80; B4 内六角圆柱头螺钉M3x12; B5 O 形密封圈 图 5.5 转台主视图全剖视图 双转子永磁同步力矩电机设计 31 在这里主要说明一下转台中除电机部分外的主要结构。转台轴承 13 是转台精度的保证，也是转台主要承重的设备。 定心轴轴承 8 不是转台承重的零件，但是却是转台精度的另一层保证，它通过转台台面的中心轴，辅助转台轴承 13 克服转台加工时的倾覆力矩。此外，它还能减小电机运行时，电机内外转子（14、15）总成因温升而产生的部分形变，保证转子运转的平稳。而光栅盘 22 和读数头 24 是转台的测量反馈装置，是机床伺服系统的重要组成部分。为便于调试，所以结构设计时将其置于底部。 表 5.5 RT-500-DR 型双转子永磁数控转台装配列表 零件号 名称 型号 数量 RT-500-DR-01 底座 内六角螺钉 M830 60 心轴工装 RT-500-DR-02-00 定心轴总成 RT-500-DR-02-01 定心轴 6022DDU 定心轴轴承 6022DDU RT-500-DR-02-02 轴承压板 内六角螺钉 M830 7 RT-500-DR-03-00-00 双转子电机定子总成 RT-500-DR-03-01-00 水套总成 RT-500-DR-03-01-01 M 型水套 RT-500-DR-03-01-02 水套上盖 RT-500-DR-03-01-03 水套下盖 内六角螺钉 M830 24 RT-500-DR-03-02 外转子线圈总成 RT-500-DR-03-03 内转子线圈总成 RT-500-DR-03-04 线圈压板 内六角螺钉 M830 12 CRT-500-DR-04 外壳 密封圈 4627 2 底座工装 CRT-500-DR-05-00 双转子电机转子总成 CRT-500-DR-05-01 内转子 内六角螺钉 M830 18 CRT-500-DR-05-02 外转子 CRT-500-DR-05-03 内圈永磁体 CRT-500-DR-05-04 外圈永磁体 CRT-500-DR-05-05 轴杆法兰 内六角螺钉 M830 18 YRT325 转台轴承 YRT325 内六角螺钉 M870 18 内六角螺钉 M830 33 RCO255N 钳夹 内六角螺钉 M830 16 186269_qsml_g1_8_6 L 型气管接头 186269_qsml_g1_8_6 双转子永磁同步力矩电机设计 32 153345_qsml_6 L 型快接插头 153345_qsml_6 153325 QSM-6 快插接头 QSM，mini 153325 QSM-6 RT-500-DR-06-00 转台台面总成 RT-500-DR-06-01 转台台面 内六角螺钉 M312 6 RESx_52_mm_A_section 光栅盘 RESx_52_mm_A_section 1 DPM.C-M16 金属闷盖 DPM.C-M16 JB10-02 宝塔接头 JB10-02 2 L-9517-4807-01-A-SR 读数头 L-9517-4807-01-A-SR 内六角螺钉 M312 4 RT-500-DR-10 读数头转接板 RT-500-D
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