力矩电机结构设计文献综述

文 献 综 述

一.数控转台力矩电机及其结构简介

数控转台双转子永磁环形力矩电机可看作一台外转子永磁同步电机与一台内转子永磁同步电机套在一起并共用一个定子的新型电机，即可以看成由内外两台电机串联而成，该种电机主要由外转子铁心、外转子永磁体、内转子铁心、内转子永磁体及内外转子之间的定子绕组组成。下面对其结构部件详细介绍。

内外转子铁心通过端盘连在一起并同步旋转，内、外转子永磁体通常采用表面式结构。定子铁心的一端通过螺栓固定于一垂直的断面上，另一端悬空。内外双转子铁芯靠近气隙的圆周上均被赋上永磁体磁钢，内、外转子磁极数相同。在定子内外表面均匀开槽，且内、外定子槽数相同 。

该种电机的特殊性更主要地体现在其绕组结构上，电机绕组采用单齿成型集中绕组，即电机每相线圈放置在相邻的两个槽中 。并采用的是极槽配合为40极48槽的分数槽绕组形式 。由于一个线圈只套一个齿，且内外电机绕组串联背绕，这样电机端部绕组大大地缩短 。另外，定子中部为电机冷却结构，具有较好的散热效果，解决了大转矩转台的散热问题 。

二.国内外研究现状

数控转台在国际上，主要有日本、德国、美国等几个公司品牌，高端市场几乎没有国产品牌，主机采用境外产品配套的，占有不小的比例。FANUC、CYTEC、SIMENS公司都有系列化数控转台的生产。英国的RPI和德国的PEISELER公司等也是世界上有名的数控转台的生产厂商。

随着新材料技术，数控转台力矩电机直接驱动技术得到了发展。2003年7月初，米克朗五轴联动高速铣削柔性单元HSM400U在位于上海市外高桥的米克朗中国高速铣削应用开发中心亮相 。HSM400U是世界上第一台五轴联动高速铣削加工中心。工作台的旋转轴采用了目前最先进的直接驱动技术，其速度可达1500/s、加速度可达17200/s这大约是过去速度的10倍 。完全满足了高速铣削对进给速度的要求。还有，ETEL公司曾为一台大型天文望远镜提供一台直径达2.5m，而厚度仅为4Omm，扭矩达到10000N.m的环形扭矩伺服电机，在回转速度为56天转1转的条件下，还能极为平稳均匀地回转。

国外许多发达国家及大公司都投入了大量的精力从事研究此项技术，在2007年4月北京国际机床展览会上，FANUC、CYTEC、SIMENS等公司均有相应的力矩电机产品展出。瑞士ETEL公司，德国REXROTH，美国KOLLMORGEN等公司均推出各自的直接驱动转台力矩电机。

国内也有多家企业在开发、制造数控转台，有的是专业生产厂家，有的是主机厂的附属产品，有的主机厂生产数控转台只作为机床的部件而不作为产品出售。这些企业中有的拥有自主品牌产品，如重庆机床(集团)有限责任公司利用其发明专利开发的高精度弧面蜗杆球面蜗轮数控转台，具有精度高、承载力大及成本低的特点 。汉川机床集团、烟台环球机床附件集团等公司都有自己的数控转台产品。但相对于国外数控转台来说，国内的转台产品存在定位精度和回复精度不高等缺点且大多还是带蜗轮蜗杆结构的非直接驱动转台 。国内力矩电机直接驱动数控转台技术尚处于起步阶段。

三.研究数控转台力矩电机结构的意义

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便成为整个机床工业技术水平的标志之一。可是目前具备生产此产品能力的企业却为数不多，而且由于产品的品种单一、规格不全、功能可靠性差、质量稳定性不高、精度较低等因素，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，虽然其价格昂贵，服务不及时，增加了机床的生产成本，降低了机床的性价比，但是因其产品质量上乘，功能可靠性好，所以基本形成了进口产品一统天下的局面。虽然国内一些数控主机厂家积极投入到数控转台的研制、自制，跟国外同行合作开发之中，但是大多数企业往往觉得成效不够理想 。

根据数控转台结构原理，可将目前市场上的产品分为两类：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。这种数控转台的制造工艺复杂，对制造水平要求较高 。目前该类产品的水平相差较大，其原因就在于制造能力和水平的差异，其中最关键的是蜗轮、蜗杆及鼠压盘等关键零部件的制造技术和工艺技术；另一类就是数控电转台，它是将力矩电机技术与转台技术高度集成，采用力矩电机直接驱动来完成旋转运动。这种结构的数控转台，其制造工艺简单，传动链短，定位精度较高，同时由于是直接驱动，无中间传动摩擦，因此精度保持性较好。然而，力矩电机的制造与集成等技术，也是需要进行深入研究的课题 。

当前，国内数控转台伺服系统仍然主要还是采用高速伺服电机＋齿轮传动的驱动方式，由于存在着机械传动链，虽有较好的静态刚度，但是，这种进给方式要完成启动、加速、减速、反转及停车等运动时，产生的弹性变形、摩擦和反向间隙等造成机械振动、运动响应慢、动态刚度差及其它非线性误差。因而难以实现高精度加工 。而解决上述问题的途径之一就是采用直接驱动技术实现零传动。两种传动方式的最大区别就是取消了从电动机到工作台之间的一切机械中间传动环节，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 。又因为机床空间有限，因此，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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