数控机床用永磁同步电主轴电机设计及优化

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1、分类号学号M201171201学校代码10487密级硕士学位论文数控机床用永磁同步电主轴电机设计及优化学位申请人：杨雪姣学科专业：电气工程指导教师：杨凯教授答辩日期：2014年1月9日万方数据AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringDesignandOptimizationofPermanentMagnetSynchronousSpindleMotorforNumericalControlMac

2、hinesCandidate:YangXuejiaoMajor:ElectricEngineeringSupervisor:Prof.YangKaiHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074,P.R.ChinaJanuary,2014万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确

3、方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日万方数据华中科技大

4、学硕士学位论文摘要电主轴是机床的核心技术，其性能好坏对机床的性能和技术水平有着至关重要的影响。目前，感应电机由于设计方法成熟、弱磁扩速范围较广，在高档机床的电主轴中仍然占据主导地位。但是，异步电机功率因数和效率较低，需要较大容量的逆变器。永磁电机结构简单、功率密度大、高效、高功率因数等特点日益凸显，能克服异步电机的不足，进一步提高数控机床的性能。然而，永磁同步电机固有的难以弱磁的问题严重制约着永磁电机在数控机床中的应用。文章开始先介绍了电主轴电机的国内外研究和发展现状，阐述了永磁同步电动机难以实现弱磁扩速的原因，即永磁体磁导

5、率与空气磁导率相近从而导致永磁电机d轴电感太小。通过speed软件分析得到了永磁电机不同转子磁路结构的电感的大小。然后通过有限元软件分析了直交轴电感随电流变化的规律，得出了虽然直交轴在理论上是解耦和的，但实际上依然存在交叉耦合的结论。此外，为优化电机的转矩密度，本文推导了转/定子半径之比,即裂比与电机转矩密度之间的解析关系式。并利用speed软件分析得到了不同气隙磁通密度和不同极弧系数下电机的转矩密度随裂比的变化曲线。研究结果表明气隙磁通密度对该值有影响，并且随着气隙磁通密度的增大，最优的裂比值逐渐的减小。最后，通过有限元分

6、析软件Ansoft建立了电机的二维模型并进行电磁场仿真计算。为了降低电机的转矩脉动，研究了极弧系数、永磁体分段斜极以及不均匀转子对电机气隙磁密，反电势谐波含量以及转矩脉动的影响规律。研究结果表明极弧系数在选取为145°时，电机的5、7次反电势谐波含量最低。不均匀气隙则对气隙磁通密度波形影响较大，偏心距越大，则波形愈加正弦。并通过这些手段使得电机的转矩脉动最终降低到1.73%，满足了课题要求。关键词：永磁同步电主轴电机；弱磁扩速；转矩脉动；优化设计I万方数据华中科技大学硕士学位论文AbstractComputercontrol

7、system(CNC)isthekeytechniquesofequipmentmanufacturingindustry’sCoreCompetence.Spindlemotoristhecoretechniqueswhoseperformancehasacriticaleffectontheperformanceofmachinetool.Nowadays,inductionmotorsstilltaketheleadingroleinthetop-grademachinetoolduetoitsmaturedesign

8、methodandwideconstantpoweroperatingspeedrange.However,thepowerfactorandefficiencyofinductionmotorsarelowwhichleadtohigherVArequirement.Instead,pe