高精度數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)用力矩電機(jī)的參數(shù)優(yōu)化

楊永慶

摘 要：直驅(qū)式回轉(zhuǎn)工作臺(tái)臺(tái)與傳統(tǒng)的工作臺(tái)相比具有效率高，精度高，故障率低的特點(diǎn)，更適合在高精度數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用。以某型號(hào)機(jī)床高精度轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)要求，針對(duì)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)特定指標(biāo)進(jìn)行專項(xiàng)優(yōu)化，優(yōu)化的方法對(duì)其他具有相同要求的電機(jī)具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：AGV；輪轂電機(jī)；直驅(qū)

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

直驅(qū)式回轉(zhuǎn)工作臺(tái)具有精度高、效率高、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)異、故障率低的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多軸聯(lián)動(dòng)復(fù)合加工中心，精密加工機(jī)床以及其他精密系統(tǒng)。

1 直驅(qū)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)

直驅(qū)式回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，中支承不僅要具有高的承載能力還需要具備高回轉(zhuǎn)精度等能力，本文中采用專用轉(zhuǎn)臺(tái)軸承代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多個(gè)軸承組合配置的方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、部件易于加工和集成化高的特點(diǎn)。采用鼓式鎖緊方式，實(shí)現(xiàn)任意角度和位置進(jìn)行定位和鎖緊的功能。冷卻系統(tǒng)與力矩電機(jī)發(fā)熱相匹配，采用螺旋式水路，冷卻介質(zhì)中使用純凈水和25%的防腐劑保證水路的長(zhǎng)期運(yùn)行。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)其參數(shù)要求按下式計(jì)算

所需電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為：M=Ma+M1+Mf

其中，M為電機(jī)轉(zhuǎn)矩，Ma為加工力矩，Mf為摩擦力矩，M1為負(fù)載力矩。

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

其中ML為折算到電機(jī)軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Jm為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J1為負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。得到電機(jī)的參數(shù)見(jiàn)表1。

2 力矩電機(jī)的參數(shù)計(jì)算

高精度回轉(zhuǎn)臺(tái)用力矩電機(jī)，要求電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)低，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)針對(duì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的環(huán)節(jié)進(jìn)行考慮。由表1可得出該電機(jī)轉(zhuǎn)速不是很高，因此選用內(nèi)轉(zhuǎn)子表磁結(jié)構(gòu)，已得到較低的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

2.1 極槽配合的選取

電機(jī)采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組使端部尺寸小節(jié)約材料。為使電機(jī)具有較高的繞組系數(shù)、較低的齒槽轉(zhuǎn)矩、較低的損耗和較高的效率，需要較大的基波繞組系數(shù)，因此本文中的力矩電機(jī)極槽配合為48槽44極，基波繞組系數(shù)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(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。定子槽口的尺寸依據(jù)下式可以得到優(yōu)選值：

其中n是使nZ/2P為整數(shù)的最小整數(shù)，s為整數(shù)；β為槽口寬度對(duì)應(yīng)弧度與一個(gè)齒槽對(duì)應(yīng)弧度的比值。槽口的寬度同時(shí)也應(yīng)考慮下線的工藝性能。本文設(shè)計(jì)的電機(jī)繞組為3根0.8的圓銅線并繞，因此電機(jī)槽口寬度應(yīng)大于2，考慮到漏磁因此在2～5進(jìn)行掃描可以得到圖1槽口尺寸與齒槽轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，因此槽口尺寸選為2.9mm。

2.3 永磁體形狀優(yōu)化

將永磁體內(nèi)外弧圓形設(shè)置在同一直線且不同心時(shí)，可以有效降低齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，當(dāng)不同心的距離增加時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩下降，但電流上升，因此本文中考慮到電機(jī)的溫升，將這個(gè)距離設(shè)置為50。

2.4 電機(jī)額定參數(shù)的計(jì)算

有限元法廣泛的應(yīng)用于電機(jī)的計(jì)算，具有計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，有利于降低試制風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)。本文采用掃描電壓幅值和相角的方法求解電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的目的。經(jīng)過(guò)建模，賦予材質(zhì)、網(wǎng)格剖分等步驟求解空載磁密云圖如圖2所示，穩(wěn)態(tài)下轉(zhuǎn)矩波形如圖3所示。

由圖中標(biāo)記的轉(zhuǎn)矩波形最大和最小值可以得出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)為1.26%，低于進(jìn)口力矩電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限值1.5%，遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)力矩電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限值3%。額定電流為12.9A，最大轉(zhuǎn)矩360Nm，最大轉(zhuǎn)矩下電流24.7A，最大轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速182rpm。電機(jī)的綜合指標(biāo)滿足回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的要求，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)與進(jìn)口電機(jī)指標(biāo)在同一水平線上。

參考文獻(xiàn)

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