论文总字数：17471字

摘 要

现代机床数控转台要求高转矩、高精度、高调速比、直至零速定位，同时要求有较高的动态刚度和静态刚度。取消了蜗轮蜗杆副驱动的机械传动链，采用环形力矩电机直接驱动结构，是实现数控转台高效高精的主要途径之一。

根据直接驱动环形永磁力矩电动机的磁路特性和设计特点，结合其应用场合和实际设计经验，确立永磁力矩电动机的设计思路，采用内转子结构，永磁体多极面装式，分数槽集中绕组形式，以及定子水冷结构等，估算出电负荷和磁负荷，进而确定电机基本尺寸。

另外，从抑制齿槽转矩波动的要求出发，进一步优化了电机的转矩特性。分析了极槽配合对电机转矩波动的影响,通过计算分析选择较优的极槽配合。

关键词：直接驱动，永磁环形，单转子，力矩电机

The structural design of Torque motor

Abstract

Modern CNC rotary table is needed with high torque，high accuracy, high speed ratio, until the zero-speed positioning. At the same time ask for a higher dynamic stiffness and static stiffness. Abolished the worm wheel and worm mechanical transmission chain, using of direct-drive ring structure torque motor,is one of the main way to achieve high-precision CNC rotary table efficiently.

The electric load and magnetic load were estimated and the size of the motor were determined further according to the direct drive ring permanent magnet torque motor magnetic circuit design and characteristic features, combined with its applications and practical design experience, together with the design thought of permanent magnet torque motor, which including the structure of inner rotor, permanent multi-polar surface mounted, scores tank concentrated winding form and stator water cooling structure.

In the way of restraining the torque ripple, the torque performance of the motor is optimized. Have an investigation on the pole-slot combinations for permanent-magnet machines with concentrated windings, choose the favorite pole-slot combinations.

Key Words: Direct Drive；Permanent Magnet Ring；Single Rotor；Torque Motor

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题研究的背景、目的和意义 1

1.2国内外研究发展现状 2

1.3论文章节主要内容 4

第二章 力矩电机的基本结构和工作原理 5

2.1力矩电机在数控机床上的应用 5

2.2径向磁场永磁同步电机 5

2.3轴向磁场永磁同步电机 7

2.4径向磁场永磁电机定子尺寸计算 8

2.5本章小结 10

第三章 永磁环形力矩电机基本设计方案 11

3.1永磁环形力矩电机 11

3.2永磁环形力矩电机设计主要约束条件 12

3.3永磁环形力矩电机基本参数设计 12

3.4本章小结 23

第四章 永磁环形力矩电机极槽配合分析选择 25

4.1 集中绕组 25

4.2极槽配合 26

4.3绕组系数计算 27

4.4 集中绕组的可行区域 28

4.5本章小结 29

第五章 全文总结 30

5.1 论文总结 30

5.2展望 30

参考文献 31

致谢 33

第一章 绪论

1.1课题研究的背景、目的和意义

数控转台是数控机床上的关键功能部件之一，主要用于与机床配套，完成机床的各种功能，对保证机床基本功能的充分使用，扩大机床的使用工艺性能、使用范围、保证加工精度、提高生产效率、减轻劳动强度等方面都起着重要的作用。因此，数控转台的发展水平就成为了整个机床工业技术水平的标志之一^[1]。但是目前具备生产此产品能力的企业却不多，而且由于产品相对品种单一、规格不全、功能可靠性差、质量稳定性不高、精度低等因素，不能满足庞大的机床配套市场。由此，国内许多机床制造企业大量进口国外或台湾的此类产品，虽然其会有价格昂贵，服务不及时，生产成本高，性价比低等缺点，但是由于其质量优秀，功能可靠性好。所以大体形成了进口产品一统天下的局面^[2]。虽然国内一部分数控厂家积极投入到数控转台的研制、自制，与国外同行合作开发等一系列工作之中，想要挽救国内市场。但目前取得的成效甚微，尚未达到理想状态。

根据数控转台结构原理，可以将目前市场上面的产品分成两类。一类是采用伺服电机通过蜗轮、蜗杆来驱动工作台旋转的结构，其蜗杆一般为双导程蜗杆^[3]。此种数控转台的制造工艺比较复杂，对制造水平的要求较高。目前该类产品的水平相差较大，原因就于不同企业的制造能力和水平的巨大差异。而其中最关键的就是蜗轮、蜗杆及鼠压盘等关键零部件的制造技术与工艺技术的差距。另一类就是数控转台，它是将力矩电机技术与转台技术高度集成的产物^[4]。数控转台是采用力矩电机直接驱动来完成旋转运动的。这种结构的数控转台具有制造工艺简单，传动链短，定位精度高等优点^[5]。同时，因为是直接驱动，没有中间的传动摩擦，所以精度保持性较好。不过，力矩电机的制造与集成技术，也是需要进行深入研究的课题。

目前，国内的数控转台伺服系统大部分仍然还是采用高速伺服电机 齿轮传动的驱动方式。因为结构中包含着机械传动链，所以在实际表现中，有着较好的静态刚度。但是，当以这种进给方式完成启动、加速、减速、翻转以及停车等运动时，产生的弹性变形、摩擦和反向间隙，会造成机械振动、运动响应慢、动态刚度差以及其他非线性误差等不良影响^[6]。从而难以实现高精度加工。解决上述问题的方法之一就是采用直接驱动技术实现“零传动”。而两种传动方式的最大区别就是取消了冲电动机到工作台之间的一切机械中间传动环节，如图1-1所示，伺服系统省掉了机械速度变换机构，将负载与电机的转子直接相连，把控制对象同电机做成一体化结构^[7]。又因为机床空间有限，所以，在如此受限的空间内又要产生较大的转矩以满足切削强度和动态响应的要求，就必须设计出高转矩密度的力矩电机。

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