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高速永磁同步电主轴参数对电机性能的影响规律研究

作　者: 钟添明
导　师: 熊万里
学　校: 湖南大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 永磁同步电主轴电磁设计齿槽转矩矢量控制
分类号: TM341
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

永磁同步电主轴代表了未来电主轴的发展方向，相比于目前已广泛应用的异步电主轴，其功率密度更大，结构更紧凑，效率和功率因数更高。永磁电机转子不发热的特点，对于降低轴承温升，提高主轴寿命非常有利；同时永磁电机力矩特性硬，易于实现精密控制，减小转矩脉动，提高零件加工的表面质量。目前国内永磁同步电主轴尚处于起步阶段，产品应用还不成熟，尤其针对高频永磁同步电主轴的电磁设计方法尚不成熟，电磁参数对电主轴性能的影响规律有待深入认识。因此，迫切需要对永磁同步电主轴的电磁设计和动态性能进行深入地研究。本文以国家科技重大专项为背景，针对高速电主轴采用逆变器供电高频的特点，基于场路结合的方法设计了一款额定功率18kW、额定转速9000rpm，最高转速为40000rpm的加工中心电主轴永磁同步电动机。建立了永磁同步电动机的有限元数值计算模型，基于该模型研究了转子磁路结构、气隙大小、定子绕组串联匝数、永磁体尺寸以及铁芯长度等对永磁同步电动机性能的影响规律。据此对对比研究了两种不同的设计方案。计算结果表明，在电机电磁负荷足够的前提下，减小气隙、磁化方向长度、隔磁磁桥长度和永磁体宽度能够提升功率因数和过载能力，降低空载漏磁系数，获得更好的电机性能。基于有限元法研究了定子槽口宽与斜槽等电枢参数和极弧系数与磁极偏心距等磁极参数对表贴式永磁同步电主轴齿槽转矩的影响规律。以减小永磁同步电主轴齿槽转矩为目标，同时考虑结构参数对效率、过载能力、空载动态性能和负载动态性能的影响，提出了永磁同步电主轴齿槽转矩的优化策略。结果表明，通过减小槽口宽度，增大斜槽宽度，选择合理的极弧系数和增大磁极偏心距等措施能够有效减小永磁同步电主轴齿槽转矩70%以上。建立了基于双反应理论的永磁同步电动机dq轴数学模型，研究了在电动机全速范围内考虑电压和电流极限时的最佳控制方案。基于矢量控制方法建立了永磁同步电动机的id=0和超前角弱磁控制系统模型，研究了这两种控制方式下永磁同步电机动态响应的差别。结果表明，在电机参数相同的情况下，采用超前角弱磁控制方法能够大幅提高电机的最高转速；增大凸极率和弱磁率，可以提升电机的弱磁扩速能力，获得更宽广的扩速范围。本文的研究工作对永磁同步型电主轴电机的设计和结构优化提供了理论依据，为优化永磁同步电主轴齿槽转矩的工程策略提供参考。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
插图索引  11-14
附表索引  14-15
第1章绪论  15-23
  1.1 课题背景及研究意义  15-18
    1.1.1 课题背景  15-17
    1.1.2 研究意义  17-18
  1.2 永磁同步电主轴国内外研究现状  18-21
    1.2.1 行业发展状况  18-19
    1.2.2 电机设计方法研究现状  19-20
    1.2.3 齿槽转矩优化策略研究现状  20
    1.2.4 矢量控制策略的现状和水平  20-21
  1.3 存在的问题  21-22
  1.4 本文研究的主要内容  22-23
第2章电磁参数对永磁同步电机性能的影响规律研究  23-44
  2.1 引言  23
  2.2 基于场路结合的电机设计方法及相关参数的计算  23-26
    2.2.1 空载反电动势的计算  25
    2.2.2 空载漏磁系数的计算  25-26
  2.3 转子磁路结构对电机性能的影响规律  26-33
    2.3.1 转子磁路结构不同时电机性能参数  26-27
    2.3.2 不同转子磁路结构的空载磁场分析  27-33
  2.4 气隙大小对电机性能的影响规律  33-34
  2.5 定子绕组串联匝数对电机性能的影响规律  34-35
  2.6 永磁体尺寸对电机性能的影响规律  35-39
    2.6.1 磁化方向长度的影响  36
    2.6.2 永磁体宽度的影响  36-37
    2.6.3 极弧系数的影响  37-38
    2.6.4 隔磁磁桥宽度的影响  38-39
  2.7 铁芯长度对电机性能的影响规律  39-40
  2.8 永磁同步电主轴电磁设计方案比较研究  40-42
  2.9 本章小结  42-44
第3章表贴式永磁同步电主轴齿槽转矩优化研究  44-60
  3.1 引言  44
  3.2 永磁电机齿槽转矩产生的物理机理  44-48
    3.2.1 齿槽转矩的产生机理  44-45
    3.2.2 齿槽转矩的解析分析  45-48
    3.2.3 永磁同步电机齿槽转矩优化方法分析  48
  3.3 结构参数对齿槽转矩的影响规律  48-55
    3.3.1 槽口宽度Bs0对齿槽转矩的影响  49-51
    3.3.2 斜槽数对齿槽转矩的影响  51-52
    3.3.3 极弧系数对齿槽转矩的影响  52-54
    3.3.4 磁极偏心距对齿槽转矩的影响  54-55
  3.4 优化后电机的齿槽转矩  55-58
  3.5 本章小结  58-60
第4章矢量控制对永磁同步电主轴动态性能影响研究  60-85
  4.1 引言  60
  4.2 正弦波永磁同步电动机的dq轴数学模型  60-63
  4.3 永磁同步电动机矢量控制原理  63-65
    4.3.1 永磁同步电动机矢量控制原理简述  64
    4.3.2 永磁同步电动机矢量控制时的基本电磁关系  64-65
  4.4 永磁同步电动机矢量控制方法  65-76
    4.4.1 id=0控制  66-67
    4.4.2 最大转矩/电流控制(MTPA)  67-70
    4.4.3 cos=1控制  70-71
    4.4.4 弱磁控制  71-75
    4.4.5 最大输出功率控制  75-76
  4.5 全速范围下永磁同步电动机的运行分析  76-77
  4.6 永磁同步电动机矢量控制方案比较研究  77-83
    4.6.1 矢量控制系统建模  77-80
    4.6.2 仿真参数设置  80-81
    4.6.3 仿真结果比较  81-83
  4.7 本章小结  83-85
第5章实验研究  85-92
  5.1 引言  85
  5.2 实验设备与仪器  85-87
  5.3 实验过程及结果分析  87-91
    5.3.1 实验目的  87
    5.3.2 实验方案  87-88
    5.3.3 实验步骤  88
    5.3.4 实验结果分析  88-91
  5.4 本章小结  91-92
第6章结论与展望  92-94
  6.1 结论  92-93
  6.2 研究展望  93-94
参考文献  94-98
致谢  98-100
附录A （攻读硕士学位期间所发表的学术论文）  100-101
附录B （攻读硕士学位期间所参加的科研项目）  101

高速永磁同步电主轴参数对电机性能的影响规律研究

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