学位论文最终版 之 高速电主轴异步电机电磁 设计与温升性能研究

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1、高速电主轴异步电机电磁设计与温升性能研究毕业论文目录中文摘要I英文摘要III1绪论11.1课题背景及意义11.1.1课题的研究背景11.1.2课题研究的意义11.2国内外研究现状21.2.1异步型高速电主轴电机设计方法研究状况21.2.2高速电机温度场有限元研究现状31.2.3高速电主轴系统热特性研究现状51.3本课题研究的目的和研究内容52高速电主轴异步电机电磁设计及仿真72.1引言72.2电磁设计72.2.1主要尺寸和电磁负荷的选取72.2.2定、转子槽型的确定92.2.3气隙和绕组的选择102.2.4定转子槽数的选择102.2.5异

2、步电机等效电路112.3高速电主轴异步电机设计算例132.4主轴电机电磁场有限元分析152.4.1瞬态电磁场有限元分析步骤152.4.2主轴电机瞬态场分析192.5本章小结233高速电主轴系统发热分析与计算243.1引言243.2高速电主轴系统功率损耗模型建立243.3主轴异步电机电磁生热分析与计算25873.3.1主轴电机电损耗分析与计算253.3.2主轴电机磁损耗分析263.3.3铁心轭部、齿部的磁损耗计算293.3.4机械损耗（通风损耗）计算313.4轴承摩擦损耗分析与计算323.5本章小结344高速电主轴异步电机热传递机制分析35

3、4.1引言354.2传热的基本概念354.2.1热传导354.2.2热对流354.2.3热辐射364.2.4传热过程及传热系数364.3高速电主轴系统传热路径分析374.4异步电机传热机制研究374.4.1电机与流体对流传热分析原理384.4.2主轴电机热传递求解范围及相关假设404.4.3定子绕组等效模型414.4.4气隙与定、转子间有效热导率424.4.5定子冷却油套等效换热系数434.4.6电机末端空间的对流换热系数444.4.7电机外壳大空间自然对流等效传热系数454.5轴承传热机制研究464.5.1轴承热传递模型及相关假设464

4、.5.2轴承与油--气润滑系统中压缩空气的对流换热系数474.5.3前轴承座冷却槽与冷却水的对流换热系数484.6本章小结485主轴异步电机温度场有限元分析495.1引言495.2ANSYS热分析495.2.1热分析有限元法495.2.2瞬态非线性分析步骤505.3基于ANSYS的主轴电机温度场分析515.3.1主轴电机实体建模51875.3.2实体模型单元类型与网格划分525.3.3模型定解条件及热载荷确定545.3.4高速电主轴温度场结果分析575.3.5主轴异步电机定转子温度场分析585.3.6主轴异步电机温升分析665.3.7主轴

5、单元关键点温升分析715.3.8电机温升理学分析与结论745.4改善主轴电机冷却的措施765.5本章小结776结论与展望79致谢81参考文献83附录87A：攻读硕士学位期间发表的论文目录87B：作者在攻读硕士学位期间参与研究的课题8787871绪论1绪论1.1课题背景及意义1.1.1课题的研究背景高速加工技术在提升零件表面质量、精度和减少工件热变形方面有较大优势，是现代先进制造技术之一。数控机床已成为发展高速加工技术的支柱性、决定性因素。而内置电主轴电机的品质将直接决定高速数控机床的技术水平。数控机床在制造业的快速发展，极大地促进了各国企

6、业和学者对高速电主轴和主轴电机的理论分析和实验研究，图1.1为主轴系统结构示意图。近年来，我国在主轴电机设计制造理论和技术方面取得了一系列高水平研究成果，但与国外先进国家电主轴电机的整体技术优势相比依然存在较大差距。其主要原因在于我国高速电主轴电机基础理论和实验研究等方面相对国外滞后，并存在若干问题[[]吴玉厚,李颂华.数控机床高速主轴系统[M].科学出版社,2011.]。因此，加大主轴电机重难点问题的攻关力度，以获得自主知识产权的科研成果，已成为目前国内制造装备研究刻不容缓的任务。1.前轴承2.定子3.冷却水套4.壳体5.出水管6.进气

7、管7.主轴8.转子9.进水管10.后轴承图0.1电主轴结构示意图Fig.0.1Schematicstructureofmotorizedspindle1.1.2课题研究的意义871绪论应用变频调速技术的主轴电机，不仅有效控制损耗，还能进行恒转矩控制并实现高速驱动，其输出特性与负载机械特性能实现较好匹配。但变频调速中电源波形非正弦又对主轴电机产生了一系列的影响。变频技术带来的高阶次谐波：会增加损耗，降低电机效率；产生电磁振动和噪声；低次谐波的脉动转矩，使电机低转速平稳工作难以实现；出现浪涌电压和电晕现象，损耗绝缘[[]汤蕴璆.电机学[M].

8、机械工业出版社,2011.]。目前国内对主轴电机的设计仍主要采用传统设计方法，忽视了对高次谐波的研究，同时非正弦供电使得气隙磁场关系比较复杂，传统方法对其精确分析存在较大的局限性。主轴电机良好