集成式滚柱丝杠直线作动器用永磁同步电机优化设计研究

发布时间：2022-01-09 01:03

　　机电作动器的大量使用已成为多电和全电飞机的发展趋势,随着对航空航天领域机电作动器尺寸、精度及性能要求的提高,滚珠丝杠直线作动器在承载能力、行程寿命、摩擦和效率等方面的问题日渐明显,近年来,滚柱丝杠直线作动器解决了滚珠丝杠直线作动器存在的问题,以其特殊的结构和优越的性能得到广泛应用。永磁同步电机以其高效率、高功率密度和高转矩密度的特点,在航空航天领域得到广泛的应用,其作为滚柱丝杠直线作动器的执行部件,有限的尺寸对电机电磁性能的发挥有极大的限制,永磁同步电机设计的好坏对机电作动器的整体性起决定性作用。本文针对有限的尺寸内最大极限的发挥电机性能,实现电机快速响应性能和平稳性能,设计了一种集成式滚柱丝杠直线作动器用永磁同步电机,为设计特殊结构电机提供理论依据,具有重要意义。本文首先分析了航空航天领域永磁同步电机所面临的问题和关键技术,按照给定的性能指标,确定电机各部件结构和材料。采用解析法计算电机尺寸,分析永磁体和外磁路的等效模型,给出PMSM整体的等效模型,分析主磁导和漏磁导、漏磁系数和空载漏磁系数之间的关系。其次,确定电机仿真流程,采用ANSYS中的RMxprt模块对电机初步建模,在Max... 

【文章来源】：西安科技大学陕西省

【文章页数】：65 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

行星滚柱丝杠副结构组成

西安科技大学全日制工程硕士学位论文21.2集成丝杠作动器概述1.2.1丝杠作动器的原理滚珠丝杠直线作动器是丝杠与螺母之间以滚珠为滚动体的丝杠副，是在丝杠和螺母上分别加工出圆弧形螺旋槽，这两个圆弧槽合起来便形成了螺旋滚道，在滚道内装入滚珠，当丝杠相对螺母旋转时，滚珠在螺旋滚道内滚动，迫使二者发生轴向相时运动。为避免滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能返回丝杠螺母之间构成一个闭合回路。而滚柱丝杠直线作动器是通过在丝杠周围设置若干行星螺纹滚柱，可大幅增加传动过程中丝杠副的受力接触而积，使机构可以承受更大的载荷和冲击，可靠性高，承载能力大、寿命高、抗冲击性强、刚度大，且非常适合用于高速重载工作的应用场合[5]。滚柱丝杠直线作动器由丝杠、滚柱、螺母、内齿圈和行星架组成，其结构如图1.1所示。丝杠的旋转运动通过滚柱的行星运动传递给螺母，转换为螺母的直线运动。滚柱作为滚柱丝杠中的滚动体，由螺纹和端部齿轮组成，是动力传输的关键部件，如图1.2所示。图1.1行星滚柱丝杠副结构组成图1.2行星滚柱丝杠副滚柱结构滚柱丝杠直线作动器作为一种高性能的直线传动装置，凭借其优越的性能和特殊的结构，被广泛应用于高档数控机床、超精密仪器仪表、高端武器装备、高端医疗设备和航空航天等领域。滚珠丝杠直线作动器和滚柱丝杠直线作动器两者相同之处在于：1.都是作为旋转转直线运动的传动机构；2.都是以滚动摩擦传动的，可以减小传动过程中的摩擦阻力。两者不同之处在于：1.滚珠丝杠是点接触，而滚柱丝杠是面接触；2.滚珠丝杠是以滚珠作为滚动体，而滚柱丝杠是以滚柱作为滚动体。近年来，滚柱丝杠直线作动器以其优越的性能被广泛应用，原因在于：

速度和加速度，克服了滚珠直径对传动机构的限制，可以采用比滚珠丝杠副更小的导程，实现小导程下的高速运动，振幅和噪音均较小；4.由于滚柱丝杠直线作动器的非圆弧螺纹具有很小的导程角，特别利于提高丝杠传动的精度，因此，可以实现微精密进给，提高传动精度[8]。1.2.2滚柱丝杠直线作动器的分类根据滚柱丝杠直线作动器与电机配合方式的不同，可分为非一体式滚柱丝杠直线作动器和一体式滚柱丝杠直线作动器（即集成式滚柱丝杠直线作动器）两种。其中，非一体式是将滚柱丝杠在外部与电机的输出轴通过齿轮等传动机构连接，如图1.3所示；一体式是将转子内部掏空，转子内表面设有螺纹线，将滚柱丝杠组件嵌入而成的结构。转子旋转时，输出轴经由其外圆周的螺旋线，通过行星分布的滚柱与伺服电机转子内表而的螺旋线啮合运动，产生推出或回退的运动，将电机和传动机构等部件集成安装，且能够阻隔空气中的污染物，即使在恶劣环境下也能够正常运行，其结构如图1.4所示。图1.3非一体式滚柱丝杠直线作动器图1.4一体式滚柱丝杠直线作动器相比之下，在有限尺寸和恶劣的使用环境中，外部连接方式不能满足要求，选用内部放置的方式可以减少系统的尺寸和重量，提高电机的响应速度。综上所述，一体化电力作动器的体积限制成为电机设计的关键因素，研究减小永磁同步电机尺寸和降低电机的质量、优化电机结构的一体化作动器具有重要意义和广阔的应用前景，成为众多学者研究的一个热点。


本文编号：3577629