例子-永磁直线同步电动机关键技术的研究例子-永磁直线同步电动机关键技术的研究 永磁直线同步电动机关键技术的研究 第1章 绪论 1.1课题的背景与意义 随着科学技术进步，高效率、高精度、高柔化和绿色化成为机械加工的重要发展趋势。切削加工的发展趋势是高速切削加工。一方面，高速加工不仅极大提高了机械加工生产效率，而且可降低切削力 30%以上，尤其径向切削力大幅度减小，同时 95%-98%的切削热被切屑带走，加工零件的热变形小，振荡频率高，工作平稳，有利于提高加工零件的光洁度，从而极大地提高了加工零件的质量及互换性;另一方面，超微细加工及科学实验对精密...
例子-永磁直线同步电动机关键技术的研究 永磁直线同步电动机关键技术的研究 第1章 绪论 1.1课
的背景与意义 随着科学技术进步，高效率、高精度、高柔化和绿色化成为机械加工的重要发展趋势。切削加工的发展趋势是高速切削加工。一方面，高速加工不仅极大提高了机械加工生产效率，而且可降低切削力 30%以上，尤其径向切削力大幅度减小，同时 95%-98%的切削热被切屑带走，加工零件的热变形小，振荡频率高，工作平稳，有利于提高加工零件的光洁度，从而极大地提高了加工零件的质量及互换性;另一方面，超微细加工及科学实验对精密加工提出了慢慢的升高的要求。实现高速、精密加工的门槛是:要有性能优良的高速精密机床。为了能够更好的保证进给量不变，确保零件的加工精度，表面上的质量和刀具耐用度，驱动系统的速度也必须相应提高;同时，进给系统的行程一般比较小，也要求驱动系统具有高的加(减)速度，以缩短启动、变速、停止的过渡时间。因此，研制新型高速精密驱动系统是国内外的研究热点。在工业发达国家，高速切削技术正成为切削加工的主流技术。根据 1992年国际生产工程研究会(CLRP)年会主题
的定义，高速切削通常指切削速度超过传统切削速度5-10倍的切削加工。 目前，多数数字控制机床的进给系统，采用旋转伺服电机驱动滚珠丝杠。为了适应高速精密加工的要求，一些厂商采用了不同的措施一直在改进滚珠丝杠的结构和性能，如日本MAZAK公司的FF66O卧式加工中心采用高速滚珠丝杠副驱动系统，其速度达 1.5m/s，加速度为1.5g，重复精度达0.002mm 。但滚珠丝杠驱动系统需中间环节(如联轴器、滚珠丝杠、螺母等)传动，存在很多缺点，如存在反向死区、螺距误差引起误差传递、由于摩擦磨损而导致的精度渐变、附加惯量大、弹性变形引起爬行，以及位置、速度、加速度受限于丝杠的机械特性(刚度、临界速度)等，进一步改善高速精密滚珠丝杠驱动系统，有着不可克服的困难。所以机床上传统的“旋转电机+滚珠丝杠”进给传动方式，由于受自身结构的限制，在进给速度、加速度、快速定位精度等方面很难有突破性的提高，已不足以满足超高速切削、超精密加工对机床进给系统伺服性能提出的更加高的要求。 近几年来，直线电机驱动的高速进给系统问世，这种进给方式取消了从电动 机到工作台之间的一切中间物理运动环节，简化了机械机构，实现了机床进给系统所谓零传动。直线电机直接驱动具有优越的加速度特性，并提高了系统刚度与可靠性，同时降低了运行噪声、运行无限制、维护简单。 目前，在数字控制机床上应用的主流是感应式直线交流伺服电动机和永磁式直线交流伺服电动机。永磁直线电机与感应式直线电机各有优缺点。永磁直线电机的优点是: 单位尺寸出力大;结构轻，惯性低，响应快，发热少，冷却要求低;精度高。存在的问题就在于:永磁体产生的强磁场使其安装与操作很难:永磁体磁场吸引铁屑，从而排屑困难，电机必须加以密封;永磁体退磁问题。感应式直线电机的优点是:次极结构简单，安装、维护容易;不使用价格相对昂贵的永磁体，在长行程应用场合有减少相关成本 的可能。缺点在于采用电激磁，效率低，发热大，次极需要冷却;气隙公差严格，工艺性差，加工成本高:精度低。尽管各有优缺点，但目前看来，特别是随着钦铁硼等高磁能积、高矫顽力磁性材料的进一步提升与完善及其价格的降低，永磁直线电机的优势越来越明显，所以永磁直线电机更适合用于直接驱动伺服技术一些公司(如KOLLMORGEN 和BALDOR)己将这种电机商品化，大范围的应用于直接直线位置伺服系统。具体来讲，永磁直线同步电动机具有以下特点: (1)永磁直线同步电动机在进行加速及减速时，具有更大的加速度和减速度，而钦铁硼永磁材料稳定性很高，使电机更适于高速运行; (2)永磁直线同步电动机中采用永磁体代替电励磁，没有了励磁损耗，节约了能量，提高了效率; (3)钦铁硼永磁体的去磁曲线为直线，可改善直线同步电动机的起动性能，并使电机有较高的稳定工作点; (4)永磁直线同步电动机体积小、结构相对比较简单，而且使电气控制更简便。 伺服用永磁直线电机以其无法替代的优越性，被大范围的应用到工业自动化领域中。如数字控制机床的直线进给行程较短，一般不超过几百mm，必须在很高的进给速度下，瞬间达到设定的高速状态，并在高速状态下瞬时准确停止运动才可以做到要求。其中的典型例子有:美国UngIroes 铣床公司生产的高速卧式加工中心HVM800和X，Y，Z轴均采用永磁式直线伺服电动机驱动的HVM800，最大进给速度为672m/min，加速度a=(1-1.5)g德国西门子公司的永磁式直线同步电动机最 大移动速度可达200 m/min，最大推力可达6600N，最大位移为540mm，适用对象为高速铣床，曲轴车床，超精密车床，磨床等。日本SODICK公司研制采用直线电机驱动电火花加工机床，其最大加速度达到了1.2g，最小脉冲当量达，与传统的滚珠丝杠副传动的电火花成形机相比，效率可提高0.3%-0.5%，振动和噪声明显减小。永磁直线同步电机在电子制造的各工艺装备以及目前日新月异的纳米技术微制造、微检测装备中也得到了广泛的研究、开发与应用。Sat Cano Technology公司与MIT合作研究的六自由度纳米级光刻用磁悬浮工作台是目前所见文献中特性与精度最好的超高精密工作台，其主体是由四个永磁直线同步电机组成的磁悬浮结构，四台电机共用一个动子平台，行程为，具有纳米级精度和良好的运行特性，可运用于下一代微电子制造工艺。美国专利也报到了类似的采用永磁直线同步电机结构的X—Y工作台，大多数都用在电子束扫描光刻装置。MiraeCoPrortino R&D中心正在研究开发永磁直线同步电机用于高速贴片机的元件拾放驱动系统。Koumorgen公司同样发布了更适合于电子组装系统应用的Platmu DDL直线系列。在倍受全球关注的纳米技术方面，集高速加工、高紧密和大行程为一体的永磁直线同步电机直接驱动技术同样得到了大量的研究开发，如激光微米细加工系统、基于快速成型的MEMS系统、MEMS微组装系统。在微检验测试方面，MIT开发了与前面的光刻工作台类似的磁悬浮平台应用于大行程的扫描探针显微镜。在微电子的应用方面，根据划片工艺的要求，选用了美国Parker公司的406LXR系列直线电机进行精确定位，具体型号为 406T04LXRMPDI3H3LZCSZZ3EZA3PI，定位精度为，最高速度可达3.0m/s，加速度可达5g。 1.2永磁直线同步电动机研究的现状和水平 近几年来，世界上一些发达国家开始将直线电机技术应用于数字控制机床直线驱动系统 中，代替传统的伺服电机+滚珠丝杠副驱动系统，取得了巨大的成功。国际上许多知名电气企业均在研究和开发直线电机相关这类的产品。 目前国内开展直线电机应用研究单位主要有沈阳工业大学、中科院电工所、清华大学、浙江大学、上海大学、焦作工业学院等。广东工业大学成立了“超高速加工与机床研究室”，主要研究和开发“超高速电主轴”和“直线电机高速给 进单元”，研究的重点是感应式直线电机;清华大学制造工程研究所自1997年开始研究用于机床给进系统的永磁交流直线年获得国家“十五”科技攻关
的资助，2003年12月通过国家鉴定验收，目前样机的主要指标是: (1)最大运动速度60m/min;(2)全行程范围内定位精度重复 定位精度;(3)加速度5g;(4)最大推力5000N;(5)有隔磁防尘保护设施;(6)有冷却系统。 图1.1清华大学研制的永磁直线同步电机 浙江大学成立了专门的直线电机研究所，在直线电机理论与应用方面均取得了相当多的成果，如拥有相当的专利技术，直线感应电机产品与多项大型应用项目，感应式直线电机冲床、永磁直线电机及其在电火花加工机上的应用等，图 1.2为浙江大学研制的永磁式职衔同步电机。 图1.2浙江大学研制的永磁直线同步电机 沈阳工业大学获国家自然科学基金的资助对永磁式直线电机进行研究，并制造了静推力为350N的样机(如图1.3所示)，研究的另一重点是电机的控制方式及伺服系统，并就此发表了多篇论文。 图1.3沈阳工业大学研制的永磁直线同步电机 这些成果表明我国的直线电机的理论及应用研究己取得较大的成绩，并在加快速度进行发展，但毋庸置疑，与国际直线电机研究与应用的领先水平相比，我国还存在着较大的差距。 1.3本课题研究的内容 虽然永磁直线同步电动机驱动系统有着无可比拟的优势，但是高速精密直线电机进 给系统采用PMLSM驱动仍然具有局限性。虽然直线电机实现了“零传统”，简化了物理运动结构，但外界的干扰直接作用到电机上，增加了电气控制的复杂性。由于电机的初级铁心两端开断，端部的磁路发生了严重的畸变，产生了所谓的端部效应，造成了端部作用力。同时，由于齿槽效应引起齿槽力，这些都导致了直线电机的推力波动。这是其结构特性决定的，在设计及操控方法上必须加以克服及抑制。 本课题研究的内容为单边激励平板式永磁直线同步电动机的设计，在设计中如何努力提高电机推力和推力密度，采取各种有效措施减少直线电机的推力波动是直线电机设计的最关键技术之一。同时，考虑到直线电机作为伺服系统的执行部件，在设计时一定要考虑控制的方式以便得出其稳态的运行特性。未解决永磁直线电机的关键技术，本课题在以下几方面做 了深入的研究。 (1)PMLSM结构和绕组设计
为了提高电机的转矩密度，减少电机的体积，目前在旋转电机中普遍的使用多 极、少齿结构，绕组采用集中绕组。集中绕组又可分为集中绕组整数槽和集中绕组分数槽。集中绕组整数槽如6极9槽、8极21槽。集中绕组分数槽如8极9槽、22极42槽、22极21槽。集中绕组整数槽由于其反电动势具有平顶波的特性，因此在无刷直流电机中得到了广泛的应用。而设计交流电机时，希望电机的反电动势波形具有正弦的特性。由于电机的极数较多，体积有限，极距比较小，每极每相槽数q就不可能很大，否则在一个极距上的总槽数过多，制造工艺复杂。若q取较小的整数，又不能充分的利用绕组分布的
来削弱反电动势中的谐波分量。如果采用多极、少齿的结构，当每极每相槽为分数时，不同极对下的齿和槽不能分别重合，槽与槽之间有一位移角，位于各个极下的每相导体的感应电动势便必须用矢量相加，从而很好的削弱了谐波。同样，PMLSM为了更好的提高推力密度，能够使用多极、少齿的结构。但为越来越好的提高槽满率，不能直接套用8极9槽的绕组排列，否则在两端部会出现半填槽，这是由其结构特点决定的。因此设计PMLSM结构和绕组时，需要在8极9槽旋转电机绕组的基础上进行改进，但一定要保证三相反电动势对称和绕组具有较高的绕组基波因数及较低的谐波含量。在进行设计时，必须详细分析绕组的星矢图和磁动势矢量图，同时考虑工艺的复杂性和综合性能，选择正真适合的槽形。 (2)推力波动的计算和优化 从结构上看，由于PMLSM的铁心不能像旋转电机那样具有闭合圆环的形状，而是长直的、两端开断的铁心。使得铁心端部的气隙磁阻发生了急剧变化，造成了很大的端部作用力，而且其值是随着位置变化的。同时，由于齿槽力的影响使得PMLSM的推力波动远大于旋转电机。通常，在分析直线电机的推力波动时，常将铁心开断和开槽引起的磁阻力合称为DetentFroce，因为它们都是由气隙磁阻变化引起永磁励磁磁场严重畸变而产生的。在设计时，如何减少PMLSM的推力波动是一个关键技术之一。目前，很常用的计算电机推力的方法有虚位移法和Maxwell张量法。采用虚位移法时通常要先选定一个很小的位移，然后计算出这两个位移量的比值即电机推力。采用Maxwell张量法计算电机推力时，求解域的网格剖分质量和积分路径的不同会影响到推力和垂直力的计算精度。为减少PMLSM的齿槽力，需要分析了齿槽效应的基础原理，然后采取比较有效的措施削弱齿槽力。然而，造成直线电机推力波动的另一个原因是由于有限长的初级电枢铁心 在两端部的端部磁导波畸变造成的端部作用力，端部作用力的大小与初级的长度有关，因此优化初级电枢铁心的长度可以轻松又有效的削弱端部作用力。针对机床用PMLSM短初级、长次级的特点，可以在优化初级长度的基础上，利用两单元段间移相进一步削弱端部作用力。移相的距离是一个关键的参数，通过优化其距离可以调制4个端部磁导波的相位，得到最优值。最后，在考虑端部作用力和齿槽力的作用下，能够得到所设计的PMLSM在一个周期Detent Force的波形图。 (3)电机的参数计算和稳态运行分析 电机的等效电路是分析和计算电机电气性能和稳态特性的重要工具，等效电路中的各个参数的计算至关重要。现有的计算各参数的方法都是以传统电机结构为基础的，然而 (4)PMLSM电磁设计程序的编制 目前，对于PMLSM还没有成形的设计计算方式，故在以上工作的基础上，欲编制适用于该种结构PMLSM的电磁计算CAD软件，同时准备设计出一台额定功率为106W，额定推力为275N，额定电流为4.4A，同步速为0.384m/s，加速度为 8.5g的永磁直线同步电动机。
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