車削用電主軸永磁同步電機(jī)電磁與熱特性的研究（上）
2017-2-9 來源：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 作者：閆佳寧
摘要： 電主軸是將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣量小、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高檔數(shù)控機(jī)床。隨著永磁電機(jī)性能的不斷增強(qiáng)以及在控制精度和調(diào)速范圍中優(yōu)越性的突顯，永磁電機(jī)被越來越多的應(yīng)用到加工中心的電主軸中。電主軸的軸頭對(duì)溫度變化非常敏感，溫升過高會(huì)影響刀具的加工精度，嚴(yán)重時(shí)甚至引起電機(jī)部件變形、破壞電機(jī)絕緣材料，故而電主軸溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確計(jì)算與分析具有重要意義。本文即是對(duì)應(yīng)用于車削數(shù)控機(jī)床的電主軸電機(jī)展開研究。首先，根據(jù)要求的安裝尺寸和性能技術(shù)指標(biāo)，參考 SIEMENS 1FE1 系列永磁同步電主軸電機(jī)進(jìn)行車削電主軸電機(jī)電磁方案的設(shè)計(jì)，確定電機(jī)的電磁負(fù)荷、各部分主要尺寸等關(guān)鍵參數(shù)，并采用有限元法進(jìn)行電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，得到電機(jī)的磁場(chǎng)分布、空載反電勢(shì)、負(fù)載轉(zhuǎn)矩等，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的合理性。其次，對(duì)電機(jī)弱磁運(yùn)行時(shí)的磁路特性進(jìn)行分析，得到交直軸電感，并對(duì)所設(shè)計(jì)電機(jī)能夠達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速進(jìn)行校核計(jì)算。此外，對(duì)電機(jī)所產(chǎn)生的的鐵耗、銅耗、機(jī)械損耗、雜散損耗進(jìn)行研究。重點(diǎn)比較電機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵心損耗以及永磁體渦流損耗在額定與弱磁時(shí)的情況。最后，對(duì)電機(jī)三維模型合理等效，計(jì)算各部位等效傳熱系數(shù)、生熱率，并考慮裝配間隙后，采用有限體積法計(jì)算電機(jī)的穩(wěn)態(tài)溫度分布。比較不同冷卻水流速、不同槽絕緣材料下電機(jī)的最高溫升。針對(duì)端部為溫升最高點(diǎn)提出采用導(dǎo)熱性能好的環(huán)氧樹脂封裝的方法降低繞組溫升。本文對(duì)于同類型的電主軸永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：電主軸電機(jī)，電磁設(shè)計(jì)，弱磁，溫度場(chǎng)
第 1 章 緒論
1.1 課題的背景及意義
城鎮(zhèn)建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與制造業(yè)息息相關(guān)，數(shù)控機(jī)床作為裝備制造行業(yè)的核心部件，不斷向高速、高效、高精度、高智能化發(fā)展，近年來數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)了將機(jī)床主軸與電機(jī)融為一體的新技術(shù)，即電主軸技術(shù)。電主軸將變頻電機(jī)的空心轉(zhuǎn)子與機(jī)床主軸零件通過過盈配合套裝在一起，帶冷卻機(jī)殼的定子直接套裝在機(jī)床主軸的殼體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了變頻電機(jī)和機(jī)床主軸的“零傳動(dòng)”，此直接傳動(dòng)方式避免了傳統(tǒng)皮帶或齒輪傳動(dòng)所引起的高速打滑、振動(dòng)噪聲大、慣量大等問題，是數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的重大改革[1]。在多軸聯(lián)動(dòng)、復(fù)合加工等方面，電主軸單元更具有其它類型單元不可替代的優(yōu)勢(shì)[2]。圖 1.1 所示的電主軸是將電主軸電機(jī)、高速軸承、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑裝置、編碼器、換刀裝置等部件集成為一體的一套組件，車削中心所使用的電主軸更應(yīng)具備電機(jī)特性優(yōu)良、熱特性穩(wěn)定等特點(diǎn)。
圖 1.1 電主軸
電主軸的核心部件是無外殼電主軸電機(jī)，它決定著電主軸的最大功率、力矩及性能。過去受永磁電機(jī)功率限制，多采用異步電機(jī)作為電主軸電機(jī)，并通過矢量閉環(huán)控制滿足定位準(zhǔn)停和剛性攻絲的要求[3]。與異步主軸比，永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度大、轉(zhuǎn)子幾乎不發(fā)熱的優(yōu)點(diǎn)，此外較硬的力矩特性更有利于實(shí)現(xiàn)電主軸的精密控制，提高加工零件的表面質(zhì)量[4]，近年來永磁同步電主軸已成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。我國(guó)的永磁同步型電主軸技術(shù)水平與歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家比有不小的差距，目前主要依賴進(jìn)口，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，尚有許多問題亟待解決，進(jìn)行永磁同步電主軸的電磁設(shè)計(jì)、參數(shù)分析、熱特性研究，對(duì)提高電主軸單元的性能，形成國(guó)產(chǎn)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和可批量生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)部件具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1.2 課題的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
1.2.1 電主軸發(fā)展現(xiàn)狀
20 世紀(jì) 60 年代，國(guó)內(nèi)開始了對(duì)電主軸技術(shù)的研究。此時(shí)研制的電主軸功率低，剛度小，主要用于零件內(nèi)表面的磨削，配備的無內(nèi)圈式向心推力球軸承也限制了高速電主軸的產(chǎn)業(yè)化[5]。隨著高速軸承的開發(fā)成功，80~90 年代陸續(xù)研制出了內(nèi)圓磨床用、銑削用的高速、高剛度系列電主軸。以能夠自主研發(fā)電主軸的洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司（原洛陽(yáng)軸承研究所）為代表，“九五”期間研制的最高轉(zhuǎn)速分別為 8000r/min、10000r/min、12000r/min、15000r/min 的內(nèi)置式系列電主軸最大轉(zhuǎn)矩可達(dá) 129N?m，目前已研制出轉(zhuǎn)速高達(dá) 80000r/min 的永磁同步電主軸，但其關(guān)鍵部件（如軸承）仍從國(guó)外進(jìn)口，未能實(shí)現(xiàn)完全的國(guó)產(chǎn)化，且只能用于低檔數(shù)控機(jī)床中。2003 年湖南大學(xué)研制成功了我國(guó)首臺(tái)高速高精密永磁同步電主軸，功率達(dá) 35k W，最高轉(zhuǎn)速 18000r/min，回轉(zhuǎn)精度 0.0015mm，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)高速加工領(lǐng)域永磁主軸同步化的空白，使我國(guó)機(jī)床電主軸的研究取得了較大突破[5]。近年來，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)、沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)等高校也陸續(xù)進(jìn)行了電主軸的相關(guān)研究，相關(guān)產(chǎn)業(yè)公司如廣州昊志機(jī)電股份有限公司、安陽(yáng)萊必泰中外合資等公司的成立也促進(jìn)了電主軸的發(fā)展，但永磁同步電主軸仍未進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。
國(guó)外對(duì)電主軸的研究較早，技術(shù)水平也處于領(lǐng)先地位，大量電主軸組件生產(chǎn)制造商的出現(xiàn)使電主軸產(chǎn)品部件向系列化、商品化方向發(fā)展。世界著名精密機(jī)床制造商瑞士 MIKRON 公司所生產(chǎn)的最高60000r/min 的高速電主軸，采用矢量控制技術(shù)可滿足不同的切削要求，使低轉(zhuǎn)速時(shí)輸出大扭矩，此外其通過恒溫冷卻水套對(duì)主軸電機(jī)和軸承進(jìn)行冷卻，通過高壓油霧對(duì)復(fù)合陶瓷軸承進(jìn)行潤(rùn)滑。其余著名的有瑞士的 IBAG 公司、德國(guó)的 GMN 公司、意大利的 GAMFIOR 公司、瑞士的 FISHER 公司等。表 1.1 給出了以上幾家代表性公司應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床和加工中心的電主軸電機(jī)產(chǎn)品的最高參數(shù)。
表 1.1 國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床和加工中心用主要電主軸的參數(shù)表
這些公司生產(chǎn)的電主軸較國(guó)內(nèi)比主要有以下特點(diǎn)[5]：（1）功率大、轉(zhuǎn)速高；（2）采用高速、高剛度軸承。主要為陶瓷軸承和液體動(dòng)靜壓軸承，空氣潤(rùn)滑軸承和磁懸浮軸承用于特殊場(chǎng)合；（3）精密加工與精密裝配的工藝水平高；（4）配套控制系統(tǒng)的水平高。包括定轉(zhuǎn)子冷卻溫度精密控制系統(tǒng)、軸承油氣潤(rùn)滑與精密控制系統(tǒng)、主軸變形溫度補(bǔ)償精密控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子自動(dòng)平衡系統(tǒng)等。
1.2.2 電主軸電機(jī)研究現(xiàn)狀
電主軸電機(jī)的設(shè)計(jì)及溫升分析綜合了電磁學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)等學(xué)科，近年來多位學(xué)者從不同方面對(duì)其進(jìn)行了研究。在電機(jī)設(shè)計(jì)方面，文獻(xiàn)[6-9]基于經(jīng)典的麥克斯韋瞬態(tài)電磁場(chǎng)分析理論，采用有限元軟件 Ansoft 對(duì)異步電主軸、永磁無刷直流超高速微細(xì)切削電主軸、分段式永磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、同步電主軸等不同類型電主軸進(jìn)行分析，研究了電機(jī)參數(shù)變化如軸向長(zhǎng)度和氣隙長(zhǎng)度改變、不同極靴形狀不同極弧系數(shù)等對(duì)電機(jī)性能的影響，并驗(yàn)證電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。文獻(xiàn)[10]用 Speed 軟件設(shè)計(jì)了一臺(tái)額定功率 35k W，額定轉(zhuǎn)速 3000r/min，最高轉(zhuǎn)速 6000r/min 的交流永磁同步主軸電機(jī)，并將 Speed 結(jié)果與 Ansoft 結(jié)果比較。文獻(xiàn)[11]根據(jù)瑞士 IBAG 公司 HF230.4A20 型電主軸（異步）的技術(shù)要求，借鑒傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)方法，編寫了基于 Matlab 的電主軸電機(jī)設(shè)計(jì)程序，并基于遺傳算法，以功率密度為目標(biāo)函數(shù)、以結(jié)構(gòu)滿足要求為約束對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[12]探索了逆變器輸出的電流高次諧波對(duì)高速電主軸（異步）電機(jī)效率、功率因數(shù)及電磁轉(zhuǎn)矩的影響規(guī)律，并開發(fā)了一套高速電主軸電機(jī)電磁計(jì)分析計(jì)算源程序，隨后開發(fā)了動(dòng)態(tài)特性分析源程序以研究高次諧波脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩受電機(jī)參數(shù)影響的變化規(guī)律。在弱磁研究方面，文獻(xiàn)[13，14]比較了相同的控制條件下表面式和插入式永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況，指出插入式永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力和速度范圍都較大。文獻(xiàn)[15，16]從“弱磁”的本質(zhì)出發(fā)，分別提出了不同的更易于弱磁擴(kuò)速的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[17，18]研究了電機(jī)定子電阻、電感對(duì)弱磁性能的影響，得到電機(jī)定子繞組電感越大，恒功率調(diào)速效果越好，但也會(huì)降低電機(jī)的轉(zhuǎn)折速度這一結(jié)論。文獻(xiàn)[19]采用有限元軟件 Flux 計(jì)算了分流齒定子結(jié)構(gòu)的永磁同步主軸電機(jī)的電磁性能，并研究了交直軸電感準(zhǔn)確計(jì)算的方法及減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的措施。文獻(xiàn)[20]通過 Ansoft 計(jì)算了考慮交直軸耦合作用情況下的交直軸電感，并在 Matlab/Simulink 環(huán)境下搭建了永磁同步電主軸的仿真控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[21]對(duì)永磁體分段與不分段兩種結(jié)構(gòu)形式下磁路飽對(duì)電感參數(shù)非線性的影響做了分析。
在電主軸電機(jī)溫度場(chǎng)研究方面，文獻(xiàn)[22-24]完成了異步電主軸電機(jī)選型、軸承及潤(rùn)滑系統(tǒng)、階梯過盈套、冷卻系統(tǒng)等主要機(jī)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)，將全部損耗粗略按照 2:1分別加載到定子、轉(zhuǎn)子上，應(yīng)用傳熱學(xué)理論，確定熱邊界條件，計(jì)算了電主軸電機(jī)內(nèi)部各部分的對(duì)流換熱系數(shù)后，采用 Ansys 進(jìn)行有限元熱計(jì)算。文獻(xiàn)[25]的永磁同步電主軸詳細(xì)給出了電主軸軸承摩擦損耗的計(jì)算方法，但仍粗略認(rèn)為全部損耗均在定子上，對(duì)電主軸冷卻系統(tǒng)、油-氣潤(rùn)滑系統(tǒng)和內(nèi)部散熱特性進(jìn)行分析并計(jì)算出相應(yīng)的換熱系數(shù)后，用 Ansys 分析了軸承溫升和主軸熱變形的影響因素，最后將永磁同步電主軸與異步電機(jī)電主軸的熱態(tài)特性進(jìn)行了比較。以上提到的粗略估計(jì)損耗后進(jìn)行熱分析并不準(zhǔn)確，文獻(xiàn)[26]通過電主軸加載試驗(yàn)，測(cè)量電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的電參數(shù)，以此為依據(jù)計(jì)算定轉(zhuǎn)子的主要能量損失——銅損和鐵損，這樣得到的損耗更具有參考價(jià)值。文獻(xiàn)[27]對(duì)配備靜壓空氣軸承的高速電主軸溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，提出了考慮軸向氣流影響的熱分析計(jì)算流程，并搭建了電主軸的溫度測(cè)試平臺(tái)，將測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比分析以驗(yàn)證方法的正確性。文獻(xiàn)[28]針對(duì)電主軸電機(jī)功率損耗發(fā)熱和高速滾動(dòng)軸承摩擦發(fā)熱會(huì)引起熱變形從而影響機(jī)床的加工精度這一問題，從合理場(chǎng)路耦合設(shè)計(jì)、改進(jìn)轉(zhuǎn)子、循環(huán)冷卻結(jié)構(gòu)、軸承及潤(rùn)滑等方面提出了幾種具體的處理措施。文獻(xiàn)[29]采用 Workbench中熱模塊計(jì)算瞬態(tài)溫度場(chǎng)，分析了永磁無刷直流電機(jī)的溫度分布，并基于遺傳算法對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。
分析電機(jī)溫度分布的方法主要有簡(jiǎn)化公式法，等效熱路法和數(shù)值計(jì)算法。簡(jiǎn)化公式法是采用牛頓散熱定律計(jì)算出電機(jī)各部分的平均溫升，工廠中估算經(jīng)常采用，但不夠準(zhǔn)確，不能滿足日益提高的設(shè)計(jì)工作的需要。等效熱路法將溫度場(chǎng)簡(jiǎn)化成帶有集中參數(shù)的熱路進(jìn)行溫升計(jì)算，這里的熱阻相當(dāng)于電路中的電阻，直觀簡(jiǎn)單，工作量不大，工程中應(yīng)用方便，但無法獲取最高點(diǎn)位置及溫升。溫度場(chǎng)數(shù)值解法是利用現(xiàn)代數(shù)值分析通過計(jì)算機(jī)求解電機(jī)內(nèi)的熱傳遞的方法，它解算出的結(jié)果具有實(shí)際意義，可得到電機(jī)內(nèi)的溫度場(chǎng)分布，便于進(jìn)行變結(jié)構(gòu)、變物理參數(shù)的優(yōu)化研究[30]，根據(jù)求解思想可分為：有限差分法、有限元法及有限體積法（Finite Volume Methor，簡(jiǎn)稱 FVM）等，而其中有限體積法對(duì)于流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合傳熱問題的分析更加準(zhǔn)確，也是本文采用的溫度場(chǎng)研究方法。
1.3 課題的主要研究?jī)?nèi)容
綜上所述，針對(duì)永磁同步電主軸電機(jī)電磁設(shè)計(jì)和溫升計(jì)算通用方法的空白，本課題以一臺(tái)車削加工中心用電主軸永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，展開設(shè)計(jì)、弱磁、損耗、溫升如下幾個(gè)方面的研究：
（1）車削用永磁同步電主軸電機(jī)設(shè)計(jì)參考德國(guó) SIEMENS 1FE1 系列同步主軸的技術(shù)要求，分析指定安裝空間下電主軸電機(jī)主要尺寸、轉(zhuǎn)子參數(shù)、定子參數(shù)的確定方法，并通過有限元計(jì)算軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電主軸電機(jī)進(jìn)行電磁場(chǎng)數(shù)值分析。
（2）弱磁特性分析與損耗計(jì)算
從永磁電機(jī)弱磁原理出發(fā)，分析永磁電機(jī)提高弱磁擴(kuò)速范圍的措施，研究電主軸電機(jī)弱磁磁路特性，交直軸電感參數(shù)的計(jì)算方法，弱磁控制時(shí)電機(jī)能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速。此外，還對(duì)電主軸電機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵心損耗、永磁體渦流損耗以及繞組銅耗和機(jī)械損耗的計(jì)算方法進(jìn)行闡述，重點(diǎn)比較弱磁時(shí)定、轉(zhuǎn)子鐵心損耗以及永磁體渦流損耗的變化。
（3）溫度場(chǎng)研究
研究溫度場(chǎng)計(jì)算所涉及到的簡(jiǎn)化模型建立方法、傳熱系數(shù)計(jì)算方法、裝配間隙處理方法等，通過有限體積計(jì)算軟件對(duì)額定和弱磁時(shí)溫度分布情況進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析不同水速、不同傳熱系數(shù)材料下的溫度場(chǎng)特點(diǎn)。
第 2 章 車削用電主軸永磁同步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)和仿真分析
永磁同步電機(jī)因其結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小，近年來越來越多的被應(yīng)用到高精度強(qiáng)力重載的加工中心高速電主軸中[31]。如何設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)、氣隙大小、永磁體尺寸等電磁和結(jié)構(gòu)參數(shù)使電機(jī)單位體積下的功率密度更高、體積和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對(duì)更小具有重要意義。
為了完成一臺(tái)車削加工中心用永磁同步電主軸電機(jī)的合理設(shè)計(jì)，本章根據(jù)技術(shù)要求，結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)合的特殊性，參考 SIEMENS 1FE1 系列主軸電機(jī)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了一款車削用電主軸永磁同步電機(jī)的電磁方案設(shè)計(jì)，并建立 Maxwell 2D 有限元計(jì)算模型對(duì)所設(shè)計(jì)的電機(jī)進(jìn)行空載和額定運(yùn)行工況分析。
2.1 車削用電主軸永磁同步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)
2.1.1 電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)
通過查閱相關(guān)資料獲知，SIEMENS 同步內(nèi)裝式電機(jī) 1FE1 產(chǎn)品系列是配套用于直接驅(qū)動(dòng)電主軸的三相交流電機(jī)。內(nèi)裝式電機(jī)是一種緊湊型驅(qū)動(dòng)類型，對(duì)于這種驅(qū)動(dòng)類型，電機(jī)的機(jī)械功率可不用傳動(dòng)元件而直接傳遞到主軸上，例如對(duì)于車床，僅通過一個(gè) C 軸驅(qū)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)。1FE1 內(nèi)裝式電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格為液體冷卻的、磁鐵永久勵(lì)磁的同步電機(jī)，圖 2.1 為其實(shí)物圖，該電機(jī)作為組件供貨，將電機(jī)部件安裝到主軸上以后成為一個(gè)完整的電主軸單元。
圖2.1 SIEMENS 同步內(nèi)裝式電機(jī) 1FE1 的組件
1FE1 系列內(nèi)置電機(jī)有兩種主要型號(hào)：高轉(zhuǎn)矩系列和高轉(zhuǎn)速系列。高轉(zhuǎn)矩系列為 6極或 8 極電機(jī)，具有轉(zhuǎn)矩利用極高的特性，適用于具有中等轉(zhuǎn)速的車床和磨床，轉(zhuǎn)速范圍為 1:2。高轉(zhuǎn)速系列為 4 極同步電機(jī)，用于銑削，優(yōu)化可用于高最大轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)速范圍超過 1:4 的場(chǎng)合，對(duì)于以最大轉(zhuǎn)速運(yùn)行的這些電機(jī)，需要使用限壓模塊。課題所需設(shè)計(jì)的電主軸電機(jī)用于加工中心的車床，則參考高轉(zhuǎn)矩系列，在 SIEMENS 設(shè)計(jì)手冊(cè)查閱到 1FE1093-6WN10-1BA...（A 表示轉(zhuǎn)子不帶套管）的技術(shù)數(shù)據(jù)如表 2.1 所示。
表 2.1 1FE1 的技術(shù)數(shù)據(jù)
1）：由于去磁不允許超過最大電流。圖 2.2 和表 2.2 給出了與其對(duì)應(yīng)的尺寸數(shù)據(jù)。
圖 2.2 1FE1 電機(jī)
表 2.2 1FE1 內(nèi)裝式電機(jī)的尺寸
數(shù)控車床的運(yùn)行要求在低速時(shí)有優(yōu)良的加工性能，高速時(shí)又要有一定的出力可以提供小進(jìn)給切削，則弱磁倍數(shù)不宜過大，且需與特定機(jī)床配套使用，參考以上資料，擬定為二倍弱磁調(diào)速范圍的 6 極電機(jī)，為了滿足裝配要求，空間尺寸限定為：最大外形尺寸≤205mm×250mm，最小外形尺寸≥92mm，性能要求為：額定電壓 380V，額定轉(zhuǎn)矩≥90N?m，額定轉(zhuǎn)速為 3000r/min，最大轉(zhuǎn)速≥6000r/min，則將問題歸結(jié)為特定空間內(nèi)的、達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求的永磁同步電主軸電機(jī)的設(shè)計(jì)。
2.1.2 基于場(chǎng)路耦合的設(shè)計(jì)方法
永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法是等效磁路設(shè)計(jì)法，即將空間中實(shí)際不均勻的磁場(chǎng)看成多段磁路，并近似認(rèn)為每段磁路中的磁通沿長(zhǎng)度和截面分布均勻，完全用路算代替場(chǎng)算，最后通過系數(shù)修正使各段磁路的磁位差與磁場(chǎng)中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的磁位差相等[32]。
此法需積累大量修正系數(shù)，準(zhǔn)確進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算比較困難，精度較低。目前設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)通常采用的是場(chǎng)路結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，它以有限元分析為基礎(chǔ)，電路參量由路算得到，而磁路參量由有限元計(jì)算得出。有限元法（Finite Element Method，簡(jiǎn)稱 FEM）是運(yùn)用變分原理把磁場(chǎng)邊值問題轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的變分問題，即能量泛函求極值問題，在離散的網(wǎng)格單元內(nèi)運(yùn)用插值函數(shù)逼近各點(diǎn)磁位，得到一組多元代數(shù)方程組，再加入邊界條件對(duì)方程組強(qiáng)行修改，可解得每個(gè)節(jié)點(diǎn)的磁位矢量，這種方法的計(jì)算精度比傳統(tǒng)的等效磁路法要高出很多，得到普遍采用。商用有限元軟件 Maxwell 中的 RMxprt 模塊，就是基于電機(jī)的等效電路和等效磁路進(jìn)行有限元計(jì)算，它為快速確定電機(jī)結(jié)構(gòu)和電磁方案提供了有效途經(jīng)。首先用直接設(shè)計(jì)法（根據(jù)技術(shù)指標(biāo)以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和公式對(duì)電機(jī)主要尺寸作原始假設(shè)）確定電動(dòng)機(jī)的主要尺寸后，建立 RMxprt 電機(jī)模型并導(dǎo)入到 Maxwell 2D 瞬態(tài)場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，得到磁場(chǎng)、電磁轉(zhuǎn)矩和電流變化等規(guī)律，將這些用場(chǎng)計(jì)算出的參量帶回到電機(jī)的等效磁路中，確定其它的參數(shù)和性能。最后考察計(jì)算結(jié)果，根據(jù)性能要求對(duì)電機(jī)的電磁方案進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。該方法充分利用了直接設(shè)計(jì)法調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸的靈活性和有限元法的準(zhǔn)確性。圖 2.3 為 Maxwell 對(duì)電機(jī)進(jìn)行有限元分析的流程圖。
圖 2.3 Maxwell 有限元分析流程圖
2.1.3 電磁參數(shù)的設(shè)計(jì)
（1）主要尺寸關(guān)系
由于車削用電主軸電機(jī)需要與機(jī)床配套使用，安裝尺寸便受到了應(yīng)用場(chǎng)合的嚴(yán)格限制。電主軸的外殼大小直接決定了電機(jī)的定子體積，首先利用公式并結(jié)合有限元分析軟件推算電磁參數(shù)和性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)本體的總體設(shè)計(jì)。
1）主要尺寸
永磁同步電主軸電機(jī)的主要尺寸與普通電機(jī)一樣，即定子內(nèi)徑i1D 和電樞計(jì)算長(zhǎng)度efL ，它們可由電機(jī)所需的性能指標(biāo)——最大轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)響應(yīng)確定。電主軸永磁電機(jī)最大電磁轉(zhuǎn)矩emmaxT 與電磁負(fù)荷和電機(jī)主要尺寸有如下關(guān)系
2）氣隙長(zhǎng)度
永磁同步電機(jī)的氣隙長(zhǎng)度? 比同規(guī)格異步電機(jī)的氣隙長(zhǎng)度要大，隨著電機(jī)中心高和功率等級(jí)的提高，同等級(jí)永磁同步電機(jī)與異步電機(jī)的氣隙長(zhǎng)度差值也越大，且不同用途的永磁電機(jī)有不同的氣隙取值氣隙越大，漏磁越多，氣隙磁密越小，故氣隙長(zhǎng)度不宜過大；較高的功率因數(shù)需要較小的氣隙長(zhǎng)度，但氣隙過小又會(huì)帶來裝配困難，由此可見，氣隙作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的重要場(chǎng)所，其長(zhǎng)度的合理選擇尤為重要。對(duì)于表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)，由于瓦片形磁極固定在轉(zhuǎn)子表面，氣隙長(zhǎng)度可大些；對(duì)于表面插入式和內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)，通常要求具有一定的恒功率運(yùn)行的速度范圍，則氣隙長(zhǎng)度不宜過大，否則直軸等效氣隙過大，直軸電感過小，弱磁能力不足將難以達(dá)到電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。一般取值在 0.2~1.2mm 之間。
3）電磁負(fù)荷
電主軸電機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵電磁參數(shù)——氣隙磁密與線負(fù)荷的值是依據(jù)制造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)所積累的數(shù)據(jù)來選取的。電機(jī)硅鋼片中的磁密值與氣隙磁密有很大關(guān)系，同時(shí)鐵心損耗與硅鋼片中磁密的平方成正比，為防止過高的磁密使硅鋼片飽和以及鐵心損耗過大降低電機(jī)效率，應(yīng)在滿足電機(jī)性能基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)較小的氣隙磁密[33]。電主軸永磁同步電機(jī)的氣隙磁密通常在 0.5~0.75T 范圍內(nèi)。考慮電主軸電機(jī)的出力情況，期望電機(jī)有較大扭矩則需要設(shè)計(jì)較大的線負(fù)荷，而電機(jī)的熱負(fù)荷與線負(fù)荷成正比，在保證熱負(fù)荷不太高或散熱條件允許的情況下，可以設(shè)計(jì)較高的線負(fù)荷，通常在 150~500A/cm 之間。
（2）轉(zhuǎn)子參數(shù)的設(shè)計(jì)
1）永磁體的放置方式
永磁同步電主軸電機(jī)屬于永磁同步電機(jī)的一種，根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子位置上的差異，可分為三種不同形式：表貼式、內(nèi)置式、爪極式。表貼式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的制造工藝簡(jiǎn)單、成本低，易于轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)從而獲得正弦氣隙磁密，較多應(yīng)用于矩形波永磁同步電機(jī)。爪極式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)很多，如極間漏磁大，自起動(dòng)能力不足等，但由于其相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)以及制造工藝，在一些小型的發(fā)電機(jī)等設(shè)備上使用比較廣泛[34]。機(jī)床電主軸永磁電機(jī)采用內(nèi)置式永磁體結(jié)構(gòu)已成為電機(jī)設(shè)計(jì)界的共識(shí)，其原因在于[35-37]：
①永磁體磁化方向長(zhǎng)度和氣隙長(zhǎng)度相同時(shí)，內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的直軸同步電感比表貼貼式大，有利于恒功率弱磁擴(kuò)速；
②交直軸轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不對(duì)稱產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩可被充分利用，則可將永磁磁鏈設(shè)計(jì)得較低，有助于提高電機(jī)的電機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力。同時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩的利用可以提高電機(jī)單位定子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，從而提高電機(jī)過載能力和功率密度；
③由于永磁體與氣隙磁路不直接接觸，外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，可以保護(hù)永磁體，同時(shí)也可最大限度的避免氣隙諧波在永磁體內(nèi)產(chǎn)生渦流損耗增大溫升引起不可逆退磁；
④內(nèi)置式轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度比表貼式更高，更適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)。為此，本課題著重研究?jī)?nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，按照永磁體磁化方向與電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的空間關(guān)系可分為徑向式、切向式和混合式三種，如圖 2.4 所示。徑向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有漏磁系數(shù)小，極弧系數(shù)易控，轉(zhuǎn)子沖片機(jī)械強(qiáng)度高，永磁體固定方便，不易變形的優(yōu)點(diǎn)。與徑向式相比，切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可提高氣隙磁密，但漏磁系數(shù)較大，需要采用相應(yīng)隔磁措施，加大了轉(zhuǎn)子加工與裝配的難度。此外切向式轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)行時(shí)為克服離心力的作用對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)要求較高，增加了制造成本和復(fù)雜性。混合式結(jié)構(gòu)綜合了徑向式與切向式的優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)成本高。故本課題選擇采用徑向式磁路結(jié)構(gòu)。
圖 2.4 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)
徑向式磁路結(jié)構(gòu)中磁鋼有“一”型、“V”型、“W”型等，制造工藝最為方便的為“一”型磁鋼，考慮到本課題電機(jī)轉(zhuǎn)子尺寸的限制，安放磁鋼的轉(zhuǎn)子軛部體積固定，“V”型、“W”型等占用空間大，與“一”型比較優(yōu)勢(shì)并不顯著，反而增加機(jī)械加工復(fù)雜度，使成本升高，故本課題設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先選用“一”型磁鋼，將其直接嵌入永磁體槽中。且根據(jù)本電機(jī)配套機(jī)床轉(zhuǎn)軸較粗、轉(zhuǎn)子軛部空間極其有限的情況，轉(zhuǎn)軸采用導(dǎo)磁的 45 號(hào)鋼以在轉(zhuǎn)子中形成完整閉合磁路減少漏磁。
2）永磁體材料
永磁材料種類多樣，性能差異也很大，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮電機(jī)工作特點(diǎn)予以選擇。數(shù)控機(jī)床用電主軸電機(jī)的永磁體材料在選擇時(shí)應(yīng)基于以下原則：
①永磁材料具有足夠的剩磁密度rB 以滿足不同運(yùn)行工況的磁場(chǎng)需求。較高的rB 可以減小永磁體磁化方向長(zhǎng)度，進(jìn)而增大直軸電感，增強(qiáng)電機(jī)弱磁性能，同時(shí)可以縮短永磁體寬度，節(jié)省成本；
②永磁材料應(yīng)具有很高的矯頑力cH 和較低的溫度系數(shù)，從而避免在實(shí)際工作環(huán)境和高溫、短路等極端條件下發(fā)生不可逆去磁；
③應(yīng)具有一定的機(jī)械性能以便加工和裝配；
④價(jià)格適中，不過度增加電機(jī)成本。
鐵磁材料中的釤鈷和釹鐵硼在剩磁、矯頑力、磁能積等磁化性能方面較其它材料具有明顯優(yōu)勢(shì)，且釹鐵硼略強(qiáng)于釤鈷，釤鈷在冷卻條件差、溫升較大場(chǎng)合的溫度特性較釹鐵硼更好[10]，而本課題所做電主軸電機(jī)采用水冷方式，冷卻條件充足，又考慮到釹鐵硼價(jià)格比釤鈷低，最終出于磁性能和經(jīng)濟(jì)性的綜合考量，選擇釹鐵硼作為本課題
圖 2.5 轉(zhuǎn)子永磁體尺寸
（3）定子參數(shù)的設(shè)計(jì)
1）槽數(shù)、槽型與尺寸文獻(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)可能的極數(shù)槽數(shù)組合作出了清晰的總結(jié)，這些可能的組合中有些是分?jǐn)?shù)槽設(shè)計(jì)，有些是整數(shù)槽設(shè)計(jì)，而這一點(diǎn)關(guān)系到永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩。對(duì)于槽/極比為整數(shù)時(shí)，每個(gè)磁極的邊緣與槽排列在一起，會(huì)產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩；槽/極比為分?jǐn)?shù)時(shí)，很少的極邊與槽排列在一起，可以有效減小齒槽轉(zhuǎn)矩。在實(shí)際應(yīng)用中，若采用整數(shù)槽則需要使用斜極或斜槽等方式來減小齒槽轉(zhuǎn)矩。本課題根據(jù)要求，擬定為 6 極、36 槽的常用配合，并采用定子斜槽的方法削弱電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。定子槽型設(shè)計(jì)時(shí)需要有足夠大的截面積來放置槽導(dǎo)體，且在槽型允許下使槽滿率盡量高些，但槽滿率過高會(huì)不易嵌線，一般成型繞組機(jī)器嵌線控制在 70%以下，功率不大的小型電機(jī)人工嵌線可在 75%左右。其次，槽型的選擇影響著電機(jī)的磁密和磁力線走向，對(duì)于平行齒結(jié)構(gòu)，主要用于散線繞組并配以梨型槽和平底槽，非平行齒結(jié)構(gòu)主要用于成型繞組，并配以開口或半開口的矩形槽[38]。電主軸電機(jī)的定子槽型一般采用半開口梨型槽，這是因?yàn)椴坶_口較小可以大大減小鐵心表面損耗和齒中脈振損耗（即空載鐵心附加損耗），且槽面積利用率高，絕緣層不宜受損，沖模壽命長(zhǎng)。如圖 2.6 a所示，槽口寬s0b 一般取 2~3mm，滿足機(jī)械加工和下線的情況下，盡量選擇較小的值；槽口高s0h 主要從機(jī)械加工角度考慮，不能過小，一般取 0.5~2mm；其余尺寸的選取依賴于定子齒磁密t1B 和軛磁密 Bj1 的限制，最佳t1B 取值范圍在 1.35~1.55T，Bj1 取值范圍在 1.3~1.6T，并盡可能小，以減少電機(jī)的鐵耗。圖 2.6 b 為所設(shè)計(jì)的電主軸電機(jī)的槽型尺寸。
圖 2.6 定子槽型及尺寸
2）硅鋼片
電機(jī)鐵心采用的材料為硅鋼片，其作用是構(gòu)成電機(jī)的主磁路，不同種類和規(guī)格硅鋼片的導(dǎo)熱性、機(jī)械強(qiáng)度和重量相差不大，但導(dǎo)磁特性以及磁場(chǎng)在硅鋼片中產(chǎn)生損耗多少的差異很大。硅鋼片有熱軋硅鋼片和冷軋硅鋼片之分。前者價(jià)格相對(duì)較低，但由于熱軋工藝限制，通常較厚，使鐵心的渦流損耗較大，此外其導(dǎo)磁特性也略低于冷軋硅鋼片，若出于成本考慮，可應(yīng)用于對(duì)性能要求不高的場(chǎng)合，現(xiàn)如今的電機(jī)都采用冷軋硅鋼片。按照微觀晶粒的排布又可將冷軋硅鋼片分為冷軋取向硅鋼片和冷軋無取向硅鋼片，前者晶粒呈現(xiàn)各向異性，主要用于變壓器中，后者晶粒呈現(xiàn)各向同性，主要用于電機(jī)中[10]。國(guó)內(nèi)的冷軋無取向硅鋼片一般為 0.35mm 厚和 0.5mm 厚，電主軸電機(jī)有調(diào)速要求，超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)頻率升高，鐵耗會(huì)增大，出于減小鐵心渦流損耗的考慮，應(yīng)盡可能選取薄的硅鋼片。隨著疊壓技術(shù)的進(jìn)步，目前 0.35mm 的硅鋼片疊壓系數(shù)能夠做到 0.97，疊壓系數(shù)高說明硅鋼片間的非磁性材料少，導(dǎo)磁率高，性能好。結(jié)合以上分析，本課題選用疊壓系數(shù)為 0.97 的 DW310_35 作為硅鋼片材料。
3）繞組
交流繞組可分為單層繞組和雙層繞組，單層繞組嵌線方便、槽利用率高，主要用于 10k W 以下的小型電機(jī)。雙層繞組主要用于大、中型電機(jī)，并利用短距與分布的方法改善感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和磁動(dòng)勢(shì)波形，使電機(jī)獲得較好的電磁性能。雙層繞組又可分為波繞組和疊繞組，波繞組用于多極、導(dǎo)線截面較大的交流電機(jī)以節(jié)約極間連接用銅，疊繞組為多匝線圈，多用于額定電壓不太大的中、小型感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)的定子繞組中[39]。本課題設(shè)計(jì)的電主軸電機(jī)定子采用星型連接，可以消除線電壓中的三次諧波，此外采用雙層短距設(shè)計(jì)，使基波分量盡可能大諧波分量盡可能小，節(jié)距為 5 以削弱 5、7 次諧波，三路并聯(lián)，每槽 26 匝，線徑 1.18mm，兩股絞線并繞。
表 2.3 為結(jié)合以上內(nèi)容設(shè)計(jì)的 28k W 車削用永磁同步電主軸電機(jī)的主要參數(shù)表。
表 2.3 車削用電主軸永磁同步電機(jī)主要參數(shù)
2.1.4 軸承的選用
電主軸中最常采用的支撐軸承為滾動(dòng)軸承，且以高速性能較好的角接觸球滾動(dòng)軸承使用最為廣泛，流體靜壓軸承和磁懸浮軸承分別因標(biāo)準(zhǔn)化程度低和電氣控制復(fù)雜而普及不高。為減小軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)滾球所產(chǎn)生的巨大離心力和陀螺力矩帶來的動(dòng)載荷，常將滾球用 Si3N4 制造。試驗(yàn)表明，角接觸混合陶瓷球軸承的工作壽命是同規(guī)格、同精度鋼質(zhì)軸承的 3~6 倍，同時(shí)軸承溫升可降低 30%~40%[40]。將其配以永久脂潤(rùn)滑時(shí)的最高轉(zhuǎn)速可與軸承鋼加油氣潤(rùn)滑組合時(shí)相同，還省去了一套油氣潤(rùn)滑部件，使維護(hù)工作大為簡(jiǎn)化[41]。
2.2 車削用電主軸永磁同步電機(jī)的有限元計(jì)算分析
為準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)的電磁性能，對(duì) 2.3 節(jié)所設(shè)計(jì)的 28k W 車削用電主軸永磁同步電機(jī)進(jìn)行電磁場(chǎng)有限元數(shù)值計(jì)算，利用有限元分析軟件 Maxwell 分別進(jìn)行空載運(yùn)行與額定負(fù)載運(yùn)行情況下的仿真分析，判定電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。
2.2.1 空載特性分析
電機(jī)在空載時(shí)只有永磁體勵(lì)磁，將 RMxprt 模型一鍵導(dǎo)入到 Maxwell 2D 后，此時(shí)軟件已自動(dòng)設(shè)置將 A 相繞組軸線與轉(zhuǎn)子 d 軸對(duì)齊，再將全部位于 d 軸的定子電流源賦為零，即為電機(jī)空載狀態(tài)，得到電機(jī)空載磁力線分布與磁密云圖如圖 2.7 所示。從圖2.7 a 可以看出空載時(shí)電機(jī)磁力線分布均勻，位于永磁體中心線處的定子齒磁力線較密集，相鄰永磁體間存在一小部分漏磁。從圖 2.7 b 可以看出磁感應(yīng)強(qiáng)度在永磁體隔磁橋處最大，最大值約為 2.27T，此處磁密過飽和是為了限制永磁體的極間漏磁，使得永磁體所提供的磁通更多的經(jīng)由氣隙進(jìn)入定子，與相鄰的永磁體有效匝鏈，構(gòu)成主磁通。定子齒部磁密不超過 1.35T，軛部磁密不超過 1.55T。
圖 2.7 空載磁力線與磁密分布圖
空載反電勢(shì)是永磁電機(jī)的重要參數(shù)，電機(jī)在運(yùn)行過程中，反電勢(shì)需低于供電電壓才能保證電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，空載反電勢(shì)的大小也直接影響著電機(jī)的調(diào)速性能。兼顧變頻器容量及電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩能力，本文將電機(jī)反電勢(shì)設(shè)計(jì)在 178V 左右，圖 2.8 為設(shè)計(jì)電機(jī)的空載三相反電勢(shì)波形。從圖中可知，空載反電勢(shì)三相對(duì)稱，且互差 120°，每相有效值約為 178V，相比于供電電壓 220V 留有一定裕量，使得起動(dòng)時(shí)電流能快速灌入，保證了車削機(jī)床電機(jī)的快速響應(yīng)特性。
圖 2.8 空載反電勢(shì)
圖 2.9 和圖 2.10 分別為空載氣隙磁密和空載齒槽轉(zhuǎn)矩圖。
圖 2.9 空載氣隙磁密
圖 2.10 空載齒槽轉(zhuǎn)矩
從圖 2.9 中可以清楚看出該電機(jī)為六極電機(jī)，每極下氣隙磁密突然減小是由于定子開槽所致，定子槽口與永磁體相互作用，開槽處磁阻變大則磁密減小。氣隙磁密幅值約為 0.7T。圖 2.10 為電機(jī)在一個(gè)周期內(nèi)的空載齒槽轉(zhuǎn)矩波形，最大波動(dòng)約為 1.82N?m，占額定轉(zhuǎn)矩的 2.02%。
2.2.2 額定負(fù)載特性分析
給定子三相繞組施加額定電壓源，且采用軟件自動(dòng)設(shè)置的機(jī)械瞬態(tài)，得到額定負(fù)載下電機(jī)磁力線分布和磁密分布云圖如圖 2.11 所示。可以看出額定負(fù)載情況下，電機(jī)的磁力線分布發(fā)生了一定的畸變，這是由于永磁同步電動(dòng)機(jī)的電樞反應(yīng)造成的。定子軛部磁密最大不超過 1.72T，齒部磁密最大值不超過 1.75T，定子磁密較空載運(yùn)行時(shí)有所增加，說明額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電樞反應(yīng)使得電機(jī)處于増磁狀態(tài)。
圖 2.11 額定負(fù)載磁力線與磁密分布
圖 2.12 為額定負(fù)載運(yùn)行一段時(shí)間穩(wěn)定后的電機(jī)相電壓曲線。作為電動(dòng)機(jī)，額定運(yùn)行時(shí)要保證電機(jī)端電壓不能超過供電電壓。從圖中可知，額定負(fù)載時(shí)相電壓有效值約為 215V，接近并未超過供電電壓 220V，為正常電動(dòng)狀態(tài)。
圖 2.12 額定負(fù)載反電勢(shì)
圖 2.13 為額定負(fù)載時(shí)的三相電流，100ms 后逐漸趨于穩(wěn)定，有效值為約 53A，與額定電流 50A 相差 6%。
圖 2.13 額定負(fù)載電流
圖 2.14 為電機(jī)額定時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩，穩(wěn)定后轉(zhuǎn)矩平均值約為 90.2N?m，達(dá)到最初要設(shè)計(jì)一臺(tái)輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到 90N?m 的電機(jī)這一要求。但可以看出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)為 10.39N?m，占額定轉(zhuǎn)矩的 11.5%，波動(dòng)過大無法滿足車削機(jī)床低速平穩(wěn)性、高定位精度的需求，需進(jìn)行改進(jìn)。
圖 2.14 額定輸出轉(zhuǎn)矩
影響電機(jī)低速轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的主要原因有電動(dòng)勢(shì)諧波或電流非正弦而產(chǎn)生的波紋轉(zhuǎn)矩和齒槽轉(zhuǎn)矩。減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)可以采取的措施有：合理選擇定子槽數(shù)，使電機(jī)繞組采用短距分布繞組或采用分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)；增大氣隙長(zhǎng)度；進(jìn)行氣隙磁密波形的優(yōu)化；減小定子槽口寬度、采用磁性槽楔[42]，或采用無齒槽定子結(jié)構(gòu)；采用定子斜槽或轉(zhuǎn)子斜極；采用阻尼繞組等。出于電磁方案已經(jīng)確定的考慮，擬采用定子斜槽的方式來改善電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)情況。
現(xiàn)在不改動(dòng)電機(jī)尺寸的前提下，在 RMxprt 中設(shè)置 Skew Width 為 1，即定子斜 1個(gè)齒距，并導(dǎo)入到 Maxwell 3D 中進(jìn)行有限元分析，得到轉(zhuǎn)矩平均值依然約為 90N?m。未采用斜槽與采用斜槽穩(wěn)定后的輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)比如圖 2.15 所示。從圖中可以明顯看出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)有所減小，采用斜槽后轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)大小約為 1.6N?m，波動(dòng)百分比為 2%，說明定子斜槽有效的減小了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，提高了車削電主軸電機(jī)在加工中的精度，并達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
圖 2.15 轉(zhuǎn)矩對(duì)比圖
此外需要額外說明的是，在圖 2.13 和圖 2.14 中計(jì)算開始的瞬間，電流和轉(zhuǎn)矩分別有一個(gè)或正向或負(fù)向的沖擊，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子處于恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，仿真對(duì)應(yīng)的工況是轉(zhuǎn)子在零時(shí)刻前就已達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速，零時(shí)刻突然加電，故在到穩(wěn)定運(yùn)行前存在正負(fù)震蕩的情況，100ms 以后趨于穩(wěn)定，此階段不同于電機(jī)實(shí)際的起動(dòng)情況，分析時(shí)應(yīng)舍去。
2.3 本章小結(jié)
本章根據(jù)性能指標(biāo)要求和機(jī)床規(guī)定的空間安裝尺寸，設(shè)計(jì)了一臺(tái) 28k W 車削電主軸永磁同步電機(jī)，并進(jìn)行有限元仿真分析，驗(yàn)證電磁設(shè)計(jì)方案合理性，得到結(jié)論如下：
（1）所設(shè)計(jì)的電主軸電機(jī)轉(zhuǎn)子采用內(nèi)置“一”型永磁體，牌號(hào)為 d Fe35，永磁體磁化方向長(zhǎng)度 3.5mm，寬度 38mm。定子采用半開口梨型槽并確定了尺寸，硅鋼片采用 DW310_35，疊壓系數(shù) 0.97，繞組為雙層短距設(shè)計(jì)，每槽 26 匝，兩股絞線并繞。其它設(shè)計(jì)參數(shù)為額定功率 28k W，額定轉(zhuǎn)矩 90N?m，額定電流 50A，定子外徑 180mm，定子內(nèi)徑 120.6mm，氣隙長(zhǎng)度 1mm，6 極 36 槽配合。此外，確定此電主軸電機(jī)的軸承為角接觸混合陶瓷軸承，并配以永久脂潤(rùn)滑。
（2）采用有限元分析得到電機(jī)磁力線和磁密分布合理，空載反電勢(shì)為 178V，空載氣隙磁密為 0.7T，空載齒槽轉(zhuǎn)矩占額定轉(zhuǎn)矩的 2.02%，負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動(dòng)在采取斜槽方式后大大減小，由 11.5%降低到 2，可以滿足車削中心對(duì)低速平穩(wěn)性的要求。第 3 章 車削用電主軸永磁同步電機(jī)的弱磁分析與損耗計(jì)算車削中心要求有較廣的加工范圍以滿足不同加工進(jìn)給速度的要求——低速時(shí)有較大輸出轉(zhuǎn)矩以進(jìn)行大進(jìn)給切削，高速時(shí)恒功率調(diào)速以滿足高轉(zhuǎn)速小切削量的要求。“弱磁”問題作為永磁同步電機(jī)的重點(diǎn)和難點(diǎn)一直阻礙著永磁電機(jī)在數(shù)控機(jī)床和加工中心中的進(jìn)一步發(fā)展。對(duì)于低速要求高的電主軸，基速下采用高性能的矢量變頻控制，超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)需要采用弱磁控制，對(duì)于設(shè)計(jì)好的電機(jī)在某種弱磁控制方案下能否達(dá)到所需轉(zhuǎn)速的研究便十分重要。與此同時(shí)，弱磁控制時(shí)若是注入弱磁電流將使電機(jī)的損耗增加、溫升升高，為了保證電主軸的熱態(tài)性能穩(wěn)定，準(zhǔn)確計(jì)算損耗是進(jìn)行熱態(tài)性能分析的前提。
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