高速电主轴异步电机电磁设计与温升性能研究

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1、高速电主轴异步电机电磁设计与温升性能研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：成涛指导教师：陈小安教授专　　业：机械设计及理论学科门类：工学重庆大学机械工程学院二O一三年四月ElectromagneticDesignAndTemperatureRisePropertiesResearchForInductionMotorinHighSpeedMotorizedSpindleAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirem

2、entfortheMaster’sDegreeofEngineeringByChengTaoSupervisor:Prof.ChenXiaoanSpecialty:MechanicalDesignandTheoryCollegeofMechanicalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril2013中文摘要摘要随着电气传动技术的迅速发展，高速数控机床主传动系统的机械结构主要采用内置交流高频电机驱动主轴（即电主轴）形式。而传统的设计方法，忽视了变频驱动

3、电源中高次谐波的影响，在对电机的精确分析上存在较大的局限性。高频电机内置于主轴后，将产生更加复杂的温升问题。同时，独立求解定子或转子的二维温度场方法已不能满足研究主轴电机热特性的要求。因此，为了满足精确设计主轴电机的需要，本文以额定功率4.8kW，同步转速30000r/min主轴电机为研究对象，基于数值计算方法，深入研究并分析了主轴电机的电磁参数设计方法、发热原理、热传递机制，同时采用与有限元相结合的方法，对电机瞬态电磁场和温度场进行了仿真分析和理论验证。本文主要进行了以下方面的研究：①以额定功率4.8kW，同步转

4、速30000r/min主轴电机的参数计算为例，考虑了高次谐波对电机的影响，分别对电机主要尺寸、电磁负荷、定转子槽型等主要电磁参数进行了求解和选取；采用有限元单元法，建立了瞬态电磁场模型，对电机进行工况仿真并验证了参数设计方法的可行性。②基于高速电主轴整体热流理论，建立了主轴系统功率损耗模型；通过主轴电机电磁损耗分析，计算了电损耗、机械损耗、铁心轭部和齿部磁损耗；另外，还讨论主轴轴承的摩擦产热。③基于电机与流体传热原理，在引入相关假设的前提下，建立了主轴电机的温度场求解域模型和定子绕组等效模型，按照热力学分析流程确定

5、了内部热传递系数，包括：气隙与定、转子之间的有效热导率、定子冷却油套等效换热系数、定子末端绕组表面对流换热系数、定子末端铁心表面对流换热系数和转子端环表面和转子末端铁心表面有效对流换热系数等参数；基于对轴承传热机制的分析，在引入相关假设的前提下，建立了轴承热传递模型，并确定了轴承与油-气润滑系统中压缩空气的对流换热系数和前轴承座冷却水槽的对流换热系数。④运用有限单元法，在主轴系统发热研究和热传递机制分析的基础上，建立了主轴异步电机温度场，并进行了瞬态求解，获取了电机和主轴关键部分温度场分布和温升曲线；通过对温升的理

6、学分析，揭示了电机温升规律；提出了改善主轴单元热性能的方法，为高速电主轴的参数优化、动力学分析和结构设计提供了理论依据。关键词：高速电主轴电机，电磁设计，热传递机制，温度场，有限单元法I英文摘要III英文摘要ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofelectricdrivetraintechnology，built-inAChighfrequencymotorwhichisusedtodrivespindle(motorizedspindle)ismainlyadoptedinMechan

7、icalstructureoftheMainDriveSystemofhigh-speedCNCmachinetools.Traditionaldesignmethodsofmotorizedspindlemotorignoretheimpactofhighharmonicwave,andtherearegreaterlimitationsintheaccurateanalysisofthemotor.Morecomplexproblemsoftemperaturerisewillproduceduetodueto

8、themotorbuiltintomotorizedspindle.Methodforsolvingthetwo-dimensionaltemperaturefieldofthestatororrotorseparatelyhasnotbeenabletomeetthemotorizedspindlethermalpropertiesresearchrequ