高速電主軸異步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)與溫升性能研究.pdf

1、隨著電氣傳動(dòng)技術(shù)的迅速發(fā)展，高速數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要采用內(nèi)置交流高頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸（即電主軸）形式。而傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，忽視了變頻驅(qū)動(dòng)電源中高次諧波的影響，在對(duì)電機(jī)的精確分析上存在較大的局限性。高頻電機(jī)內(nèi)置于主軸后，將產(chǎn)生更加復(fù)雜的溫升問題。同時(shí)，獨(dú)立求解定子或轉(zhuǎn)子的二維溫度場(chǎng)方法已不能滿足研究主軸電機(jī)熱特性的要求。因此，為了滿足精確設(shè)計(jì)主軸電機(jī)的需要，本文以額定功率4.8kW，同步轉(zhuǎn)速30000r/min主軸電機(jī)為研究對(duì)象，基

2、于數(shù)值計(jì)算方法，深入研究并分析了主軸電機(jī)的電磁參數(shù)設(shè)計(jì)方法、發(fā)熱原理、熱傳遞機(jī)制，同時(shí)采用與有限元相結(jié)合的方法，對(duì)電機(jī)瞬態(tài)電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析和理論驗(yàn)證。本文主要進(jìn)行了以下方面的研究：
　?、僖灶~定功率4.8kW，同步轉(zhuǎn)速30000r/min主軸電機(jī)的參數(shù)計(jì)算為例，考慮了高次諧波對(duì)電機(jī)的影響，分別對(duì)電機(jī)主要尺寸、電磁負(fù)荷、定轉(zhuǎn)子槽型等主要電磁參數(shù)進(jìn)行了求解和選?。徊捎糜邢拊獑卧?，建立了瞬態(tài)電磁場(chǎng)模型，對(duì)電機(jī)進(jìn)行工況仿真并

3、驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)計(jì)方法的可行性。
　?、诨诟咚匐娭鬏S整體熱流理論，建立了主軸系統(tǒng)功率損耗模型；通過主軸電機(jī)電磁損耗分析，計(jì)算了電損耗、機(jī)械損耗、鐵心軛部和齒部磁損耗；另外，還討論主軸軸承的摩擦產(chǎn)熱。
　?、刍陔姍C(jī)與流體傳熱原理，在引入相關(guān)假設(shè)的前提下，建立了主軸電機(jī)的溫度場(chǎng)求解域模型和定子繞組等效模型，按照熱力學(xué)分析流程確定了內(nèi)部熱傳遞系數(shù)，包括：氣隙與定、轉(zhuǎn)子之間的有效熱導(dǎo)率、定子冷卻油套等效換熱系數(shù)、定子末端繞組表面對(duì)流

4、換熱系數(shù)、定子末端鐵心表面對(duì)流換熱系數(shù)和轉(zhuǎn)子端環(huán)表面和轉(zhuǎn)子末端鐵心表面有效對(duì)流換熱系數(shù)等參數(shù)；基于對(duì)軸承傳熱機(jī)制的分析，在引入相關(guān)假設(shè)的前提下，建立了軸承熱傳遞模型，并確定了軸承與油-氣潤(rùn)滑系統(tǒng)中壓縮空氣的對(duì)流換熱系數(shù)和前軸承座冷卻水槽的對(duì)流換熱系數(shù)。
　?、苓\(yùn)用有限單元法，在主軸系統(tǒng)發(fā)熱研究和熱傳遞機(jī)制分析的基礎(chǔ)上，建立了主軸異步電機(jī)溫度場(chǎng)，并進(jìn)行了瞬態(tài)求解，獲取了電機(jī)和主軸關(guān)鍵部分溫度場(chǎng)分布和溫升曲線；通過對(duì)溫升的理學(xué)分析，揭