摘要
高频电主轴是高速加工机床中的核心功能部件,它将机床主轴与电机的功能从结构上融合为一体,省去了复杂的中间传动环节,具有调速范围宽、振动噪声小、可快速起动和准停等优点.它不仅具有极高的生产率,而且可以显著地提高零件的加工精度和表面质量,是目前国内外技术竞争的焦点和热点之一.电主轴关键的功能部件是高速电机的定子和转子.目前国内尚没有系统成熟的专门针对高频电主轴的电机设计方法.作者借鉴传统电机的设计方法,并结合电主轴本身结构和电磁设计上的特点,提出了系统的针对高频电主轴电机的设计方法.在此基础上编写了基于Matlab的电主轴设计计算程序,并以瑞士Ibag公司生产的HF230.4A20 CFHKP型电主轴为设计实例,利用该型号高频电主轴的技术要求,经过设计程序的计算,将得到的设计数据与产品数据进行比较,证实了所提出的设计方法的有效性.以上述电主轴设计方法为基础,进一步进行了优化设计研究.提出了以电主轴的功率密度为目标函数、以结构上和功能上需要达到的要求为约束条件,以电机参数优化设计为主要内容的优化设计思路,并进行了实例计算.考虑到该优化问题的目标函数非常复杂且涉及到不等式约束、离散变量的处理技术等问题,采用了基于遗传算法的优化计算方法.针对基于上述设计思想及优化设计算法的设计结果,考虑到高频电主轴驱动的矢量控制特点,该文建立了基于Matlab/simulink的异步型电主轴矢量控制仿真模型,并进行了数字仿真与分析.仿真结果表明所设计的电机的性能指标达到了设计要求.
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