文档介绍：湖南大学
硕士学位论文
基于谐波分析的高速电主轴电机设计方法研究
姓名:王文华
申请学位级别:硕士
专业:机械制造及其自动化
指导教师:熊万里
20090510
摘要动态特性的不足,本文建立了“逆变器一电机一负载’’数学模型,基于该模型并高速力是代表现代制造业发展趋势的新技术。它不仅具有极高的生产率,而且可以显著提高零件的加工精度和表面质量,实现难加工材料和薄壁零件的高效精密加工。高速机床是实现高速加工的装备基础。电主轴是高速机床的核心部件,其性能很大程度上决定了高速机床的性能和技术水平。由于电主轴普遍采用逆变器供电,其实际运行性能与正弦电源供电的性能相比发生了显著的变化。因此,有必要深入研究逆变器供电条件下高速电主轴电机的设计方法。本文在分析正弦脉宽调制逆变器调制原理的基础上,深入研究了逆变器输出电流高次谐波对高速电主轴电机效率、功率因数及电磁转矩的影响规律。定量分析和实际算例表明,高次谐波是导致电主轴电机效率、功率因数以及输出扭矩等力能特性显著下降的重要因素。在充分考虑逆变器输出电流高次谐波影响的基础上,开发了一套高速电主轴电机电磁设计分析计算源程序,利用该程序定量研究了高速电主轴电机电磁设计参数对其效率、功率因数以及最大转矩倍数等力能特性的影响规律。实际算例表明,相对传统的正弦电压源供电条件下的工频电机设计方法,考虑逆变器输出电流高次谐波影响的高速电主轴电机设计方法对力能特性能作出更准确的计算和更为合理的评价。针对通常的高速电主轴电机设计方法仅能反映稳态性能,而不能反映电机的在考虑逆变器输出电流高次谐波影响的基础上,开发了一套电机动态特性分析的源程序。利用该程序定量研究了高速电主轴电机转子槽形和定子绕组设计参数对电机动态特性特别是高次谐波脉动转矩的影响规律。研究表明,优化高速电主轴电机电磁设计可抑制高次谐波电流,降低高次谐波电流引起的电磁损耗和脉动转矩,进而提高效率、功率因数等力能特性及动态特性。实验研究了逆变器工作参数对电主轴电机定子电流及其频谱特性的影响,验证了逆变器输出电流的非正弦特性,提出了通过优化逆变器工作参数抑制高次谐波电流,进而提高电主轴电机力能特性及动态特性的具体策略。本文研究工作对异步电主轴电机电磁设计分析计算及动态特性分析具有参考价值。关键词:电主轴;逆变器;高次谐波;电磁设计;高速加工缪乖基于谐波分析的高速电主轴电机设计方法研究
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插图索引湖南大学自主研制的装备加工中心的高速精密电主轴⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·逆变器电路原理图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯三相逆变器的调制波形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯规则采样⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯三相逆变器的基本电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯··不同载波比的逆变器输出电压的频谱图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯不同调制比的逆变器输出电压的频谱图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯电机电磁转矩脉动示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯电机转子集肤效应系数曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯··高速变频电机基波等效电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯高速变频电机谐波等效电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·供电下样机的输入电压频谱图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯样机在正弦波与电源分别供电下的性能曲线⋯⋯⋯⋯⋯·电主轴电机的定子槽形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯电主轴电机的转子槽形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯高速电主轴电机电磁校核框图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯高速电主轴电机电磁设计计算程序流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯不同负载下正弦波与电源供电的电机性能比较⋯⋯⋯⋯⋯不同频率下正弦波与电源供电的电机性能比较⋯⋯⋯⋯⋯·三相到两相的坐标旋转变换示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯龙格库塔解法的程序流程简图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯节距比为时的仿真结果图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯节距比为时的仿真结果图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯不同节距比的定子电流频谱图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯绕组型式姆抡娼峁肌绕组型式姆抡娼峁肌不同绕组型式的定子电流频谱图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯转子槽形为圆底槽的仿真结果图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯转子槽形为梨形槽的仿真结果图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·转子槽形为平底槽的仿真结果图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·图图图基于谐波分析的高速电主轴电机设计方法研究
不同转子槽形的定子电流频谱图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·磨床用电主轴系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯安正振动及动态信号采集分析系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯