高精度數控機床回轉工作臺用力矩電機的參數優化

楊永慶

摘 要：直驅式回轉工作臺臺與傳統的工作臺相比具有效率高，精度高，故障率低的特點，更適合在高精度數控機床上應用。以某型號機床高精度轉臺的技術要求，針對主驅動電機特定指標進行專項優化，優化的方法對其他具有相同要求的電機具有借鑒意義。

關鍵詞：AGV；輪轂電機；直驅

中圖分類號：TG659 文獻標志碼：A

直驅式回轉工作臺具有精度高、效率高、動態性能優異、故障率低的特點，廣泛應用于多軸聯動復合加工中心，精密加工機床以及其他精密系統。

1 直驅回轉工作臺的關鍵技術

直驅式回轉工作臺，中支承不僅要具有高的承載能力還需要具備高回轉精度等能力，本文中采用專用轉臺軸承代替傳統的多個軸承組合配置的方式，具有結構簡單、部件易于加工和集成化高的特點。采用鼓式鎖緊方式，實現任意角度和位置進行定位和鎖緊的功能。冷卻系統與力矩電機發熱相匹配，采用螺旋式水路，冷卻介質中使用純凈水和25%的防腐劑保證水路的長期運行。

驅動系統采用力矩電機直接驅動其參數要求按下式計算

所需電機的轉矩為：M=Ma+M1+Mf

其中，M為電機轉矩，Ma為加工力矩，Mf為摩擦力矩，M1為負載力矩。

為使回轉工作臺具有較高的響應能力，力矩還應滿足以下條件：M=ML+（J1+Jm）a

其中ML為折算到電機軸的負載轉矩，Jm為電機的轉動慣量，J1為負載的轉動慣量。得到電機的參數見表1。

2 力矩電機的參數計算

高精度回轉臺用力矩電機，要求電機轉矩波動低，在設計時應針對導致電機轉矩波動的環節進行考慮。由表1可得出該電機轉速不是很高，因此選用內轉子表磁結構，已得到較低的轉矩波動。

2.1 極槽配合的選取

電機采用分數槽集中繞組使端部尺寸小節約材料。為使電機具有較高的繞組系數、較低的齒槽轉矩、較低的損耗和較高的效率，需要較大的基波繞組系數，因此本文中的力矩電機極槽配合為48槽44極，基波繞組系數為0.949。

2.2 槽口尺寸的選取

定子槽口的尺寸直接影響電機齒槽轉矩及轉矩波動。定子槽口的尺寸依據下式可以得到優選值：

其中n是使nZ/2P為整數的最小整數，s為整數；β為槽口寬度對應弧度與一個齒槽對應弧度的比值。槽口的寬度同時也應考慮下線的工藝性能。本文設計的電機繞組為3根0.8的圓銅線并繞，因此電機槽口寬度應大于2，考慮到漏磁因此在2～5進行掃描可以得到圖1槽口尺寸與齒槽轉矩的關系，因此槽口尺寸選為2.9mm。

2.3 永磁體形狀優化

將永磁體內外弧圓形設置在同一直線且不同心時，可以有效降低齒槽轉矩和轉矩波動，當不同心的距離增加時，齒槽轉矩下降，但電流上升，因此本文中考慮到電機的溫升，將這個距離設置為50。

2.4 電機額定參數的計算

有限元法廣泛的應用于電機的計算，具有計算結果準確，有利于降低試制風險的特點。本文采用掃描電壓幅值和相角的方法求解電機穩態數據的目的。經過建模，賦予材質、網格剖分等步驟求解空載磁密云圖如圖2所示，穩態下轉矩波形如圖3所示。

由圖中標記的轉矩波形最大和最小值可以得出轉矩波動為1.26%，低于進口力矩電機轉矩波動限值1.5%，遠低于國內力矩電機轉矩波動限值3%。額定電流為12.9A，最大轉矩360Nm，最大轉矩下電流24.7A，最大轉矩下轉速182rpm。電機的綜合指標滿足回轉工作臺的要求，轉矩波動與進口電機指標在同一水平線上。

參考文獻

[1]莫會成.分數槽繞組與永磁無刷電動機[J].微電機，2007，40（11）：39-42.

[2]莫會成.表貼式永磁同步電機齒槽轉矩削弱方法研究[D].長沙：湖南大學，2012.