高精度数控机床回转工作台用力矩电机的参数优化

杨永庆

摘 要：直驱式回转工作台台与传统的工作台相比具有效率高，精度高，故障率低的特点，更适合在高精度数控机床上应用。以某型号机床高精度转台的技术要求，针对主驱动电机特定指标进行专项优化，优化的方法对其他具有相同要求的电机具有借鉴意义。

关键词：AGV；轮毂电机；直驱

中图分类号：TG659 文献标志码：A

直驱式回转工作台具有精度高、效率高、动态性能优异、故障率低的特点，广泛应用于多轴联动复合加工中心，精密加工机床以及其他精密系统。

1 直驱回转工作台的关键技术

直驱式回转工作台，中支承不仅要具有高的承载能力还需要具备高回转精度等能力，本文中采用专用转台轴承代替传统的多个轴承组合配置的方式，具有结构简单、部件易于加工和集成化高的特点。采用鼓式锁紧方式，实现任意角度和位置进行定位和锁紧的功能。冷却系统与力矩电机发热相匹配，采用螺旋式水路，冷却介质中使用纯净水和25%的防腐剂保证水路的长期运行。

驱动系统采用力矩电机直接驱动其参数要求按下式计算

所需电机的转矩为：M=Ma+M1+Mf

其中，M为电机转矩，Ma为加工力矩，Mf为摩擦力矩，M1为负载力矩。

为使回转工作台具有较高的响应能力，力矩还应满足以下条件：M=ML+（J1+Jm）a

其中ML为折算到电机轴的负载转矩，Jm为电机的转动惯量，J1为负载的转动惯量。得到电机的参数见表1。

2 力矩电机的参数计算

高精度回转台用力矩电机，要求电机转矩波动低，在设计时应针对导致电机转矩波动的环節进行考虑。由表1可得出该电机转速不是很高，因此选用内转子表磁结构，已得到较低的转矩波动。

2.1 极槽配合的选取

电机采用分数槽集中绕组使端部尺寸小节约材料。为使电机具有较高的绕组系数、较低的齿槽转矩、较低的损耗和较高的效率，需要较大的基波绕组系数，因此本文中的力矩电机极槽配合为48槽44极，基波绕组系数为0.949。

2.2 槽口尺寸的选取

定子槽口的尺寸直接影响电机齿槽转矩及转矩波动。定子槽口的尺寸依据下式可以得到优选值：

其中n是使nZ/2P为整数的最小整数，s为整数；β为槽口宽度对应弧度与一个齿槽对应弧度的比值。槽口的宽度同时也应考虑下线的工艺性能。本文设计的电机绕组为3根0.8的圆铜线并绕，因此电机槽口宽度应大于2，考虑到漏磁因此在2～5进行扫描可以得到图1槽口尺寸与齿槽转矩的关系，因此槽口尺寸选为2.9mm。

2.3 永磁体形状优化

将永磁体内外弧圆形设置在同一直线且不同心时，可以有效降低齿槽转矩和转矩波动，当不同心的距离增加时，齿槽转矩下降，但电流上升，因此本文中考虑到电机的温升，将这个距离设置为50。

2.4 电机额定参数的计算

有限元法广泛的应用于电机的计算，具有计算结果准确，有利于降低试制风险的特点。本文采用扫描电压幅值和相角的方法求解电机稳态数据的目的。经过建模，赋予材质、网格剖分等步骤求解空载磁密云图如图2所示，稳态下转矩波形如图3所示。

由图中标记的转矩波形最大和最小值可以得出转矩波动为1.26%，低于进口力矩电机转矩波动限值1.5%，远低于国内力矩电机转矩波动限值3%。额定电流为12.9A，最大转矩360Nm，最大转矩下电流24.7A，最大转矩下转速182rpm。电机的综合指标满足回转工作台的要求，转矩波动与进口电机指标在同一水平线上。

参考文献

[1]莫会成.分数槽绕组与永磁无刷电动机[J].微电机，2007，40（11）：39-42.

[2]莫会成.表贴式永磁同步电机齿槽转矩削弱方法研究[D].长沙：湖南大学，2012.