Синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM) доминируют в современных конструкциях шпиндельных двигателей благодаря их:
• Высокая удельная мощность (компактный размер при заданном крутящем моменте)
• Превосходная эффективность (обычно 90-97%)
• Точное регулирование скорости (нулевая характеристика скольжения)
• Отличный динамический отклик (критически важный для систем ЧПУ)
В этом руководстве рассматриваются следующие вопросы электромагнитная, тепловая и механическая конструкция соображения по поводу оптимизация статоров и роторов PMSM в шпиндельных двигателях, работающих при 10 000-60 000 оборотах в минуту. В качестве базовой технологии для всех электрический мотор типы, конструкция статора и ротора требуют первостепенного внимания при проектировании.
2.1 Оптимизация геометрии ядра
Комбинации пазов и полюсов
|
Конфигурация |
Преимущества |
Пример использования шпинделя |
|
9-щелевой/6-полюсный |
Низкое засорение, хорошие гармоники |
Фрезерование общего назначения |
|
12-слотный/8-полюсный |
Сбалансированная плотность крутящего момента |
Высокоскоростное шлифование |
|
18-щелевой/12-полюсный |
Уменьшенная пульсация крутящего момента |
Сверхточная механическая обработка |
Ключевые соображения:
• Большее количество пазов уменьшает пульсации крутящего момента, но увеличивает потери меди
Обмотки с частичными пазами (например, 9 пазов на 8 полюсов) сводят к минимуму заклинивание
Дизайн ламинирования
• Материал: пластины из кремниевой стали M19-M47 толщиной 0,2-0,35 мм
• Ширина зубьев: 40-60% от шага прорези, чтобы сбалансировать насыщенность и площадь меди.
• Задняя планка: ширина зубьев 1,2-1,5 x для предотвращения насыщения флюсом
2.2 Конфигурация обмотки
Типы намотки
|
Тип |
Плюсы |
Аферы |
|
Распределенный |
Более низкие гармоники, лучшее охлаждение |
Более длинные концевые повороты |
|
Концентрированный |
Более короткие витки, более высокое заполнение паза |
Более высокая пульсация крутящего момента |
Передовые методы:
Двухслойные обмотки: сдвиг фазы на 30-45° для подавления гармоник
Литц-провод: для работы на высоких частотах (>400 Гц) для уменьшения эффекта воздействия на кожу
Коэффициент заполнения пазов: 60-75%, достижимый при использовании прецизионных намоточных станков
2.3 Стратегии охлаждения
Прямое охлаждение пазов: Масляные каналы встроены в пазы статора.
Полые провода: Для мощных шпинделей с жидкостным охлаждением (>15 кВт)
Материалы для термоинтерфейса: Смолы с высокой теплопроводностью (5-8 Вт/мК)
3.1 Расположение магнитов
Топологии
|
Тип |
Плотность потока |
Момент затяжки зубьев |
Сложность производства |
|
Монтируемый на поверхности |
Умеренный |
Низкий |
Простой |
|
Внутренний PM (IPM) |
Высокий |
Умеренный |
Сложный |
|
V-образный IPM |
очень высокий |
Высокий |
Очень сложный |
Выбор для конкретного шпинделя:
10 000-30 000 оборотов в минуту: Поверхность PM с втулкой из углеродного волокна
30 000-60 000 оборотов в минуту: Полый IPM для лучшей устойчивости к центробежной силе
3.2 Магнитные материалы
|
Материал |
Br (Т) |
Hc (кА/м) |
Максимальная температура |
Стоимость |
|
Феррит |
0.4 |
200 |
150°C |
$ |
|
Неодимовый полимер N42H |
1.3 |
900 |
120°C |
$$$ |
|
SmCo (генеральный директор) |
1.1 |
700 |
300°C |
$$$$$ |
Критерии отбора:
Снижение температуры (внутренняя температура шпинделей достигает 80-150°C)
Защита от коррозии (никелирование во влажной среде)
Сегментированные магниты для уменьшения вихревых токов
3.3 Конструктивное исполнение ротора
Удерживающие втулки:
• Углеродное волокно: Для >40 000 оборотов в минуту (σ > 800 МПа)
• Инконель: Для применения при высоких температурах
Динамическая балансировка:
&бык;
• Асимметричная форма полюсов для гармонической балансировки
4.1 Компромиссы между параметрами
|
Параметр |
Увеличится на |
Эффект |
|
Воздушный зазор |
Больший зазор |
↓ Плотность крутящего момента, ↑ надежность |
|
Толщина магнита |
Больше материала |
↑ Плотность потока, ↑ стоимость |
|
Плотность тока |
Более высокий уровень J |
↑ Крутящий момент, ↑ тепловое напряжение |
4.2 Передовые технологии
Перекос: 1-2 шага прорези для уменьшения зазубривания
• Формирование полюсов: Зубчатые полюса для синусоидальной обратной ЭДС
• Многоцелевая оптимизация:
# Пример оптимизации по Парето для соотношения крутящего момента и потерь
цели = [максимизировать (крутящий момент), минимизировать (Iron_Loss)]
ограничения = [Повышение темпа
5.1 Соображения по поводу подшипников
Радиально-упорные подшипники: Предварительный натяг 150-400 Н для обеспечения жесткости шпинделя
Гибридная керамика: Для диапазона 20 000-40 000 оборотов в минуту
Активные магнитные подшипники: Для сверхточных оборотов в минуту >50 000 об/мин
5.2 Конструкция вала
Требуемая жесткость: >100 Н/мкм на стыке инструментов
Полые валы: Для прохода охлаждающей жидкости (соотношение внутреннего и наружного диаметра
Компенсация термического роста: Рукава из углеродного волокна с соответствием CTE
|
Компонент |
Критический допуск |
Способ измерения |
|
Воздушный зазор |
±0,05мм |
Лазерный микрометр |
|
Положение магнита |
±0,1&град; угловой |
Система визуального контроля |
|
Симметрия катушки |
|
Измеритель LCR |
Статор: 18-пазовая, 3-фазная распределенная обмотка
Ротор: 6-полюсный V-IPM с магнитами SmCo
Охлаждение: Пазы с прямым масляным охлаждением
Представление:
• Удельная мощность: 6,5 кВт/кг
КПД: 96% при номинальной нагрузке
• Биение:
Аддитивное производство: каналы охлаждения, напечатанные на 3D-принтере
Материалы с улучшенным содержанием графена: Для повышения теплопроводности
Цифровые близнецы: моделирование производительности в режиме реального времени
Проектирование Статоры и роторы PMSM для шпиндельных двигателей требуется балансировка:
1. Электромагнитные характеристики (плотность крутящего момента, КПД)
2. Управление температурой (стратегии охлаждения)
3. Механическая целостность (динамика ротора, срок службы подшипников)
Для вашего конкретное применение шпинделя, рассмотрим:
• Целевой профиль скорости/крутящего момента
• Ограничения системы охлаждения
Бюджет на материалы премиум-класса (SmCo, углеродное волокно)
Вам нужны подробные параметры моделирования ВЭД или блок-схемы производственного процесса? Свяжитесь с нами прямо сейчас!
