数控铣床电主轴系统的设计外文翻译2.docx

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数控铣床电主轴系统的设计外文翻译2

高速开关磁阻电机主轴驱动设计

HansKu..TorstenWichertandBernard

Szymanski

摘要——本文讨论了用作纺纱机主轴驱动的开关磁阻电动机（SRM）。

开关磁阻电机驱动系统是为了满足不断增长的需求，纺织工业生产方面的时间，成本和质量的纺织品曲折。

理想的开关磁阻电机驱动系统理应在高速运行高达30000转，并已成为强有力的，高效率和低成本的大规模生产，因为是渴望。

的设计，开关磁阻电机有限元素（有限）模型，它允许了快速准确的机械设计。

比较预测和实测静态开关磁阻电动机特性将表现出高可靠性的设计方法介绍。

为了运行电机无轴位置传感器的一种简单而强大的传感器控制方法。

因此，控制系统设计随着电力电子转换器将提高。

索引术语——转换器、控制系统、设计方法、磁阻电机驱动

1.简介

新的电动机都需要使用作为一种电主轴驱动。

本文研究的目的是开发一个新的创新一代的主轴用于机器纺织行业的扭矩生产要素。

这样一种新的主轴单元是如图1所示。

它包括一个电动驱动器,替代传统的皮带传动系统在机械部件,如纺丝设备,齿轮、齿轮传输带、加工中心的机械能量来源等。

当今社会技术进步的特点是机械性能的提高、质量的增加和人机工程学。

进一步的优势是一方面降低制造成本和提高了材料利用率，另一方面提高了使用周期,减少了维护工作和降低能耗的纺纱设备。

除了坚持要求开发的电气设备的需求必须实现高效率、低生产成本的整体传动系统的要求外还包括转换器和控制系统,从而实现大规模生产。

SRMs优先产生在各种优势的基础上，因此这台机器类型使得他们成为一个最具有吸引力的具有感应同步机调速驱动的主轴电机,尤其是对于使用旋转机器。

恒速无机械滑由于同步操作的原则，

——恒速无机械滑-等速由于同步器的工作原理；

——集中绕组最终就可以很容易地安装在定子极点;允许短长度和减少机器铜材,

——低生产成本在批量生产,

——低惯性矩、高起动转矩,

——容易实现额定扭矩为零的速度,是一种技术的需要

对于一个简单的开关控制算法具有较强的鲁棒性和电动机的低成本驱动没有任何位移的传感器。

本文描述的方案需要一个由纺丝工艺确定的恒定负载转矩。

它允许电机运行稳定状态以及暂态和过载情况下通过变量传导电流脉冲宽度的阶段。

在第一部分,本文提出的开关磁阻电机的设计方法。

有限元计算结果与测量生产的原型对照。

在第二部分的控制系统的设计与试验的基础上,提出了液力变矩器将会被显示。

二．电机的有限元模型

FEMM有限元程序设置（有限元的磁学）[2]提供了潜在的分布和和后处理器提交数据处理和计算的物理值。

FEMM4.0软件是免费提供的来解决低频电磁场对二维平面和轴对称领域的问题。

一组定义字段的问题的一个向量的十角的转子位置的值从（Θ=0℃）的位置到（Θ=45°C）是求解电机的扭矩特性。

图2:

磁链的研究为Θ6/4-SRM=20°

计算力矩随转子位置角特征T（i,Θ）需要计算的一套价值为给定的电磁转矩角位置的转子。

单值不固定转子位置变化的转矩角Θ可以计算出的麦克斯韦应力张量是常数的磁链的长度是沿着通往解的核心问题二维分布的。

[1]、[2]。

r表示气隙圈的半径;I等于（磁）长度和

，

是溴的切向和径向通量密度的部件。

转子的机械扭矩是由于施加压力的定子置于转子而引起的增长极。

因此,这种应力也取决于定子的额定扭矩和转子几何尺寸,电流强度和开/关的时机。

瞬间的扭矩也取决于这些参数,并可以确定电机转矩变化。

图3.开关磁阻电机制造原型

3计算和测量的结果

高效率是最重要的条件之一的发展。

SRM电动机必须达到30000rpm的高速度。

。

因此预计，特别是核心的损失将是占主导地位的铜的损失。

据了解，磁化频率影响的核心损失增加的数目阶段q[4]。

因此Q获得选择3。

这是最小相位信号允许自启动在两个方向，一些阶段可能允许自启动的两个方向和四象限运行。

为了尽量减少核心和转换损失高速，NS=6定子极和NR=4转子磁极设计（6/4-SRM）。

这使得也是一个巨大贡献，理想的低成本开关磁阻电机驱动器，因为转换器和制造成本是很小的。

开关磁阻电动机的原型制造如图3在华沙科技大学的实验室进行测量。

以下的实验室测试,包括:

1.电感的转子位置变化的角度,ΘL（i）

2.扭矩的转子位置变化的角度,ΘT（i）和与有限元计算结果进行对比。

电感量与动态电压法相位绕组通电情况下产生一个矩形脉冲电压。

产生的电流波形,其增长di/dt取决于三相电阻R的电感L（I,Θ）。

测量的误差值预测和电感值（图4）为I=4A是以3.0%、6.8%为对齐和不对齐的电感。

目前电流误差达到7.6%,和4.3%,因为出现I=6A的自饱和绕组。

图4。

确定测量电感L（I,Θ）。

图5.扭矩的确定和测量

图5显示的是不同电流下测量的扭矩与转子位置角特征。

该预期值与给出的虚线相比较比较。

测量和预先计算值符合得很好,但他们之间的误差略有增加，因为目前的饱和效应导致一个更强有力的减少扭矩然后预测。

特别是狭窄的转子枷锁饱和，即使是在低电流（5-6A）影响计算的可靠性。

如表1的电感,平均扭矩和转矩脉动的问题,给出了开关磁阻电机主轴的测量和计算在I=4A级。

括号内的值的计算错误。

表1测量和计算SRM参数的比较表

四．非对称桥变换器的开关磁阻电机

由于开关磁阻电机驱动力矩的[10]是独立的励磁电流极性的开关磁阻电机驱动器要求最低的一个开关每相绕组。

电磁转矩开关磁阻电机的定义通过（3）表示：

I是一个瞬时值的定子电流，L是相电感，Θ是转子位置角。

应当注意到，相电感L是一个函数的转子位置和定子电流。

取代（4）式中的Te导致了开关磁阻电动机的力学方程驱动系统。

（4）式是机械方程的开关磁阻电机驱动系统

在此

表示负载力矩,J表示是惯性转矩的转子、

表示机械高速转速并且摩擦值固定。

开关磁阻电动机驱动的总有一个相绕组与一个开关。

如果拍摄槽故障、电感线圈的上升速度将受到限制,可以提供时间来启动电流保护电路,实现对IGBT驱动。

这个阶段是独立的开关,在案件的失败,不间断运行的绕组电机驱动是可能的,虽然减少功率输出。

由于运动的特性,马达无法直接从3个阶段供电线路。

因此,设计一个特殊的转换器。

用来检查开关磁阻电动机驱动的不对称的桥逆变器（图7）将被修建的性能。

由于市场上没有从离散元素建立的不对称的桥逆变模块的转换器。

变频器组成部分:

整流器,直流环节逆变器的一部分,分，并与部分多氯联苯的栅极驱动器和控制系统。

限制在交换IGBTs过电压开关的夹紧电路将会实现。

图7。

不对称的桥的拓扑性质

五.传感器控制的开关磁阻电机

通过电子方法消除机械位置传感器被称为传感器控制。

许多有效的方法，研究人员已提出多年。

尽管有先进的传感器控制策略，没有在本设计已完全能够取代机械传感器没有把一些限制的驱动器上[14]。

虽然大多数传感器的方法是基于磁特性的开关磁阻电机，它们被分为好多类，一个简单的分类方法是考虑如果该方法是根据变量的精力充沛阶段，变量的疲劳阶段或使用其他的变数。

使用这一标准，该传感器的方法主要分为三个主要方法即开环的方法，能量相位方法和非能量相位方法。

六．开环控制系统

特别是在低水平,低功率轴位置的传感器是昂贵的,代表了额外的潜在的失败。

因此,在此工作的开环法是一种有效的选择,因为它似乎更便宜些。

在开环法研究由米勒和低音[11],[12]和OldenkampVukosavic[13]。

该方法利用电机控制两种信号发生器。

一个发电机的负责速度运动——住角度（5）,另一个控件的值的定子电流。

表达的角度采用居住的（5）,Fig.8,如图

图7.控制冲动的IGBT晶体管。

在此

是主角

在这个系统的断断续续的角度并不能直接控制的。

开环控制发送一个系列的脉冲对电机无任何迹象的转子位置。

图。

7显示模拟结果的信号生产控制系统中，然后传送到栅极驱动器电路的IGBT。

当电压脉冲的应用磁建立了。

通量要降低到零电感前开始下降，以防止生产的负面扭矩（3）将刹车转子和将影响整个驱动系统。

限制生产的断裂扭矩，负电压的结束周期如图9所示。

因此，日熔操作很快完成迅速。

因此，几乎整个期间的相电感具有积极的斜坡可以用来产生了积极的电磁转矩的旋转的转子。

七软硬斩开环控制技术。

闭环控制

在高速运行的定子电流调节只有开/关定时开关电源的晶体管。

在低转速和中等转速范围定子电流是受砧板控制。

这意味着大功率开关,一般都比较高频率的基频相位的电流。

在硬软（图8）两晶体管。

同时进行。

当晶体管是打开的电流通过晶体管和定子绕组。

在定子电压等于+。

当晶体管是关掉了电流流过的二极管和定子绕组。

电压适用于定子等于-。

图.8.硬切

在软砧板（图9）只有一个晶体管是接通和关断例如较低的晶体管时刻如图6所示。

其他晶体管（T1）也在。

当这两个晶体管上的电压适用于定子绕组等于+。

当晶体管时刻关闭，电压适用于定子绕组等于为0。

表二显示了晶体管和二极管的真值。

图9.软砧板

 这两种斩波技术都要在实验室试验，验证了整个传动系统。

由于转矩脉动问题的一个主要问题就是在开关磁阻电动机驱动的开关频率高的IGBTs是需要降低,感应电动机的转矩脉动产生开关磁阻电动机。

与现有方法相比,，例如滞环控制的三相电流的开关磁阻电动机，无论电压斩波技术，即软，硬砧板已是较低的电流在启动之间的重叠定子和转子磁极什么反过来将有较少的机械运动的影响。

附表二）真值表的晶体管和二极管的阶段

八结论

  本文介绍了开关磁阻电机（SRM软件），特别是发达国家的使用的主轴电机驱动器，其目的是，用高速度可达30000转。

比较静态的SRMpredictedand特

性测量表明提出了高可靠性的设计过程。

由于施工安全和发动机,不能直接从3个阶段供电线路。

因此,一种特殊电源需要建立。

为了降低成本,整个传动系统规划的驱动轴运行而无位置传感器。

剩下的部分提出适当的控制系统与描述。

在项目的下一个阶段,即整个传动系统设计与电源开关时将检查实验室调查。

参考文献

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“影响开关磁阻电机的电磁转矩的几何参数”.Berichte和InformationenHTW,ISSN1433-4135德,1/2002

[2]官米克,“有限元方法——用户手册4.0.2004年”

[3][j].ReinertOptimierungBetriebseigenschaften·冯·Antrieben“麻省理工学院geschalteterReluktanzmaschine.D82迪斯。

1998年,RWTH亚琛

[4]米勒T.J.E.开关磁阻电动机和其“控制”。

学院出版社,1993年,物理学西斯波罗。

[5]Wichert,顾长永,h说:

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”IEEE交易对工业应用论文集”,2号,1992年,L.M.M.Sitsha

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第AFRICON之学术研讨会,南非开普敦,1999;2003。

[8]之米勒.论反射阵列”Propagat.天线出版。

[9].j.Vidmar。

1992年8月在使用大气等离子体作为电磁谐振器。

21（3）,564-6。

[10]

[11],MehradEhsani米勒“具有较强的鲁棒性的T.J.E开关磁阻电动机的转矩控制不了shaft-position传感器”,台湾工业电子工程研究所硕士论文,1995。

八月三号,IE-33,1986年,pp.2212-216Vusakovic

[12],Peic,Vusakovic，“无运行电动机以恒功率IEEE电力电子会议,1990年,pp.451-454。

[13]OldenkampJ.L.:

“可逆开关磁阻电动机无轴位置传感器”,中华人们专利,5440218,8月8号,1995。

[14]米勒T.J.E.“电子控制的开关磁阻机”、芦苇、教育专业出版社,2001年