开题报告-双转子永磁同步力矩电机设计.docx

双转子永磁同步力矩电机设计开题报告一、 综述1 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）。2 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。数控机床转台是多轴联动数控机床的主要功能部件之一,它在整个机床工具行业中发挥的作用也越来越重要 赵玉吉. 数控转台双转子不等极数永磁力矩电机设计D. 沈阳工业大学, 2011.。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。根据永磁材料的不同，永磁电机主要可分为钕铁硼永磁电机和铁氧体永磁电机两种。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。钕铁硼永磁材料磁性能好，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,而且钕铁硼永磁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。提高电机运行效率和转矩密度，并逐步向较大容量发展，已成为钕铁硼永磁电机研究的一个重要课题。3 数控转台发展现状数控转台是一种重要的机床附件，是数控机床上关键功能部件之一。它的应用为机床提供了回转坐标，如图1所示，通过第四轴(C轴)、第五轴(A轴)驱动转台完成等分、不等分或连续的回转加工，使客户加工复杂曲面变成可能，扩大了机床的加工范围 吕超,刘建华. 数控转台的结构形式J. 金属加工(冷加工),2013,13:18-19.。近些年，我国国产数控机床向高效、高速、高精、环保、柔性化方面迅猛发展，用户对数控转台的也随之提出了高更的需求。图1 双转台五轴机床的基本结构图1 双转台五轴机床的基本结构中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 张宏韬. 双转台五轴数控机床误差的动态实时补偿研究D.上海交通大学,2011.。表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15至40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/气压现在市场上主要数控转台的结构如表1所示2：3.1 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该转台的优点是：定位刚度好、载重大、重复定位精度高、精度保持性能好。缺点是：端齿盘制造精度要求很高，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。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采用弧面凸轮分度机构或者平面分度凸轮进行分度，实现固定角度等分分度，普通电动机驱动，机械锁紧。优点是：分度速度快，负荷大，刚性好，使用普通电动机替代了高价的伺服电动机，在价格上、控制上、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：直流力矩电机、交流力矩电机、和无刷直流力矩电机。具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小等特点，可直接驱动负载省去减速传动齿轮，从而提高了系统的运行精度。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。现代机床数控转台要求高精度、高转矩、高调速比、直至零速定位,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,感应电机通常和变速箱结合在一起变速箱造价高,结构也复杂，需要维修，降低了系统效率。而且感应电机存在着调速特性较差，难以实现平滑的调速，功率因素较低等缺点。所以,要用同步电机，并且要省去变速箱等中间传动机构，这就是所谓的直接驱动永磁同步电机，取消了蜗轮蜗杆副驱动的机械传动链,力矩电动机的多极定子固定在转台的壳体上，转台的台面与力矩电动机的转子相连，利用力矩电动机直接驱动转台的台面作分度运动，便构成了力矩电动机转台 荆汝宝. 数控转台双转子永磁环形力矩电机设计D.沈阳工业大学,2009.。从结构上讲，力矩电动机转台最大可能地缩短了传动链，从而减少了由构成传动链的每个环节的元件的制造误差、安装误差、传动刚性等带来的对转台的不利影响，并且对闭环转台来讲有利于回转编码器或角度编码器与回转部分的连接 吴培坚. 数控转台J. 机械工人.冷加工,2006,05:27-28.。4 永磁电机研究发展现状4.1 永磁体研究现状1983年，第三代稀土永磁材料钕铁硼（NdFeB）由日本会津大学H.Sagawa教授利用粉末冶金法制备出来，最大磁能积达到288KJ/m3。钕铁硼具有极高的磁能积和矫力，同时具有高能量密度的优点。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，所以钕铁硼永磁材料在现代工业和电子技术中获得了广泛应用。4.2 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。图2 不同型式转台本课题主要讨论研究如图2(b)所示的旋转力矩电机。 在现在的国际数控转台市场上,主要有日本、德国、美国等几个公司品牌,高端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等公司均推出各自的直接驱动转台力矩电机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。现代高档数控机床转台采用永磁同步电机的直接驱动技术，具有损耗低、电气时间常数小、响应快等特点，实现了“零传动”。相比内置式永磁电机而言，表贴式永磁电机其径向等效气隙较大，电枢反应较小，磁场波形和电流电压波形畸变率较小，振动噪声性能优良。故本课题选用表贴式永磁电机。4.3 双转子永磁同步电机研究现状数控转台双转子永磁环形力矩电机采用永磁体径向充磁,径向磁场电机的磁场垂直于转轴这种电机作为一种应用前景被看好的新型电机,最先由国外的Thomas A.Lipo等人提出,并进行了初步的理论和实验研究。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的研究，并在IEEE发表了研究论文 Qu R, Lipo T A. Dual-rotor, radial-flux, toroidally wound, permanent-magnet machinesJ. Industry Applications, IEEE Transactions on, 2003, 39(6): 1665-1673. Qu R, Lipo T A. Design and parameter effect analysis of dual-rotor, radial-flux, toroidally wound, permanent-magnet machinesJ. Industry Applications, IEEE Transactions on, 2004, 40(3): 771-779. Qu R, Aydin M, Lipo T A. Performance comparison of dual-rotor radial-flux and axial-flux permanent-magnet BLDC machinesC/Electric Machines and Drives Conference, 2003. IEMDC03. IEEE International. IEEE, 2003, 3: 1948-1954. 。但现在仅停留在初步理论和样机实验阶段。5 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。永磁同步电机在结构上有外转子型和内转子型两类。而单转子力矩电机只能通过增大电机的外径尺寸来提高电机的转矩。由于数控机床作业空间有限，所以，本课题提出并研究一种具有高转矩密度的新型数控转台双转子永磁同步力矩电机。在外转子转台电机结构的基础上，充分利用电机内部空间，在电机内部空间增设了一个内转子，构成电机的单定子双转子结构。这样就在电机体积不变的情况下，增大了电机气隙的有效面积，提高了电机的转矩，从而使电机具有更高的转矩密度 夏加宽,荆汝宝,董婷. 新型数控转台双转子永磁环形力矩电机设计J. 电气技术,2009,04:37-40.。电机的转矩波动也是影响转台稳定性、精确性的主要原因之一，绝大多数由于电机齿槽效应产生齿槽转矩造成的。齿槽转矩会使电机产生机械振动和噪声，出现转矩波动，使电机不能恒转速运行，影响电机的性能。本课题试图借双转子的结构特点，令内外转子的齿槽转矩波峰错开，叠加后减小总体转矩波动。理想情况下内外转子齿槽转矩波峰对波谷，可以进行最大程度的抵消。二、 研究内容1 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 本课题研究内容根据目前国内外永磁同步电机的研究现状,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，以达到小的电机体积，输出大力矩的目的。本课题定为双转子径向磁场永磁环形力矩电机研究与设计。本课题主要的研究内容如下:2.1 对双转子永磁同步力矩电机的基本结构及运行原理进行简要介绍，结合其工作原理给出了这种电机的分析方法，再对该电机的优缺点进一步的说明。2.2 确定电机基本结构和主要尺寸，并进行电机机械结构的2D/3D设计。2.3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。2.4 考虑电机的冷却方式，进行冷却结构的设计。2.5利用Ansoft有限元分析方法对电机磁场进行仿真分析2.6 针对电机的不足之处进行优化分析，讨论几种降低双转子永磁电机齿槽转矩的方法如变槽口角宽度，变永磁角宽度和槽口偏移2.7 完成工程图的生成、电磁设计报告的生成。3 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。三、 实现方法及预期目标1 初步方案本课题所研究的双转子永磁同步力矩电机是转台的关键部件，转台如图3所示，工作台即安放工装夹具的主要工作平台，提供C轴的转动。底座内部即为所设计的双转子永磁同步力矩电机，因是概念图，所以省去了轴、轴承等连接、支撑等辅助部件。双转子永磁同步力矩电机的核心结构即转子和定子如图4图6所示，这些图同样为初步展示图。图4为整体内部效果简图，展示出双转子永磁同步力矩电机的内部构造，除去了外部加装的转台以及内部轴承等结构。图5是外转子，内外转子的同一端由转台台面连接在一起。图6是定子图。随着电机工业朝着大容量、高功率密度、小体积的趋势发展,永磁电动机温升与其它各项指标在配合上发生了分歧，成为了设计必须考虑的因素之一 杨菲. 永磁电机温升计算及冷却系统设计D.沈阳工业大学,2007.。为了便于转台安装，冷却液槽与线圈出线方向一致。依所要解决的问题的先后次序定方案如下：1.1 确定电机的基本尺寸1.2 确定电机的极对数和槽数。1.3 确定永磁体贴片尺寸、确定内外齿槽排布及尺寸1.4 有限元软件建模1.5 电磁场数值分析1.6 加装冷却液通道，并分析对电磁场的影响1.7 齿槽转矩的分析与降低本课题是借助Pro/E对双转子永磁同步力矩电机进行3D的结构设计，并出进一步导出2D的图纸。在后续的研究中，借助Ansoft有限元分析软件对电机磁场进行仿真分析，进一步验证电磁设计以及后续优化的可行性。2 初步结构设计工作台底座2.1 电机初步结构设计图3 转台效果图 原外转子电机转台参数如表2下： 表2 原外转子电机转台参数型号:CRT1/500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)190r.p.m.平面度0.01mm摆角范围连续电机连续运转扭矩:65Nm最大扭矩:120Nm额定电压:400V夹紧夹紧扭矩：2.000Nm最大夹紧压力:70bar液压角度测量系统信号:1Vppsin/cos测量方法:增量/绝对定位精度:2.5冷却冷却功率:1kW(4l/min)平均重量300kg 外转子定子内转子图4 转子定子一体简图 图5 外转子表 3 初步设计转子尺寸(/mm)外转子外直径300外转子厚度30内转子内直径90内转子厚度20冷却液通道 a 无冷却液通道 b 含冷却液通道的定子图6 定子表 4 初步设计定子尺寸(/mm)定子外径250定子内径130冷却通道内径160冷却通道外径2002.2 电机的检测与制动图7 圆光栅尺圆光栅尺用于检测电机实时角度，使C轴角度精调成为可能。图8 德国黑马公司内圆周钳夹制动示意图 a 打开锁定 b 钳夹工作图9 钳夹工作原理气动式钳夹通过弹簧装置进行钳夹。当弹簧皮腔的内部压缩空气被排放，或者弹簧皮腔的外部缸体被充气增压后，弹簧皮腔得到放松伸展并轴向压紧钳夹装置的内圆周和外圆周的轴向接触面。整个钳夹元件将在钳夹颗接触面范围内产生弹性形变，并随之夹紧轴体。反之，通过对弹簧皮腔的内部充入4或者6个大气压的压缩空气，或者排放弹簧皮腔外部缸体内的压缩空气，将会使弹簧皮腔发生弯曲弓起，并连带引起钳夹系统内外圆周接触面之间距离的缩短。钳夹颗接触面将由此被拉离轴体。3 本课题重点与难点本课题重点分两部分，一部分为物理结构设计，另一部分为电磁设计。物理结构设计在于确定电机的冷却结构与制动结构设计。电磁设计在于确定电机的极对数和槽数、确定永磁体贴片尺寸、确定内外齿槽排布及尺寸和绕组分布的设计。借助于有限元理论，对电机磁场及性能的数值分析则是本课题的难点。永磁同步电机的电磁设计的设计研究一方面是针对永磁体，另一方面是针对电机的其它各相关参数。当前所采用的永磁电机的性能分析方法有等效磁路法、磁网络法、场路结合、分析法、电磁场解析分析法、电磁场数值分析法、旋转电机磁场计算数值解析结合法和场路耦合时步有限元法 张东. 新型双定子永磁电机的设计与研究D.上海大学,2008.12 程泽高. 双转子对转永磁电机理论与仿真研究D. 湖南大学, 2012.13孔伟, 沐金锁. 力矩电动机的冷却J. 制造技术与机床, 2009 (9): 118-119.14 赵锋辉. 双转子永磁同步电机的磁路建模和磁场分析J. 电气传动自动化, 2013 (004): 5-10.15 王正平. 径向磁场双转子永磁电机研究D. 山东大学, 2006.16 Aydin M, Huang S, Lipo T A. Torque quality and comparison of internal and external rotor axial flux surface-magnet disc machinesJ. Industrial Electronics, IEEE Transactions on, 2006, 53(3): 822-830.17 郭宏, 钱浩. 永磁同步电机低转矩脉动的稳健设计J. 中国电机工程学报, 2012, 32(024): 88-95.18 赵玉吉. 数控转台双转子不等极数永磁力矩电机设计D. 沈阳工业大学, 2011.19 陈思儒. 力矩电机的电磁设计及应力场分析D. 沈阳工业大学, 2013.20 冯垚径. 永磁同步电动机设计关键技术与方法研究D. 华中科技大学, 2012.21 Mosebach H. Systematik dreistrngiger symmetrischer PM-erregter PPSMJ. IMAB Jahresbericht 2005, 2005: 1-9. 本课题所采用的是应用广泛的电磁场数值分析法中的有限元法。 电机伺服系统检测的是电机的电角度，所以随着电机极数的增加，控制精度也随之提高。根据公式p=60f/n，由结合电机具体运行时的转速可得出电机的极对数。按传统设计，每对极下必须有对称的三相绕组，极数越多，槽数就越多。槽数的增多，可以降低气隙磁阻的不均匀程度，减小由此产生的转矩脉动，但由此会增加电机制造工艺的复杂性。每槽所占空间很小，这不仅给槽的加工增加了难度，而且齿的机械强度也会减小。因此，采用近极槽数的特殊集中分数槽的方法来解决上述问题4。4 预期目标通过本课题的研究，设计出双转子永磁同步力矩电机的基本物理结构，给出电机的具体参数。借助有限元分析，得出电机性能的数值解。四、 对进度的具体安排第01周 动员、详细安排任务，准备计算机、软件； 第02周 调研，查阅资料，到图书馆、情报信息中心等；第03周 翻译资料（5000字），写调研报告；第04周 写开题报告，论证方案，开题审查；第05周双转子永磁同步力矩电机方案设计， 第06周计算主要设计参数，画出草图；第07周双转子永磁同步力矩电机结构初步设计第08周全面参数计算；绘制设计图；第09周 修改完善双转子永磁同步力矩电机机械设计；第11周 双转子永磁同步力矩电机电磁仿真初步设计、建模；第12周 双转子永磁同步力矩电机电磁仿真原始方案详细设计与运算分析；第13周 双转子永磁同步力矩电机电磁仿真，改变参数优化设计；第14周 双转子永磁同步力矩电机电磁仿真结论分析；第15周 撰写详细的论文提纲，设计说明书； 第16周 完善所有设计，打印图纸和论文，上交论文。 五、参考文献1 吕超,刘建华. 数控转台的结构形式J. 金属加工(冷加工),2013,13:18-19.2 吴培坚. 数控转台J. 机械工人.冷加工,2006,05:27-28.3 荆汝宝. 数控转台双转子永磁环形力矩电机设计D.沈阳工业大学,2009.4 夏加宽,荆汝宝,董婷. 新型数控转台双转子永磁环形力矩电机设计J. 电气技术,2009,04:37-40.5 Qu R, Lipo T A. Dual-rotor, radial-flux, toroidally wound, permanent-magnet machinesJ. Industry Applications, IEEE Transactions on, 2003, 39(6): 1665-1673.6 程泽高. 双转子对转永磁电机理论与仿真研究D. 湖南大学, 2012.7 孔伟, 沐金锁. 力矩电动机的冷却J. 制造技术与机床, 2009 (9): 118-119.8 赵锋辉. 双转子永磁同步电机的磁路建模和磁场分析J. 电气传动自动化, 2013 (004): 5-10.9 王正平. 径向磁场双转子永磁电机研究D. 山东大学, 2006.10 Aydin M, Huang S, Lipo T A. Torque quality and comparison of internal and external rotor axial flux surface-magnet disc machinesJ. Industrial Electronics, IEEE Transactions on