谈谈我郁闷的事&请教一些问题&分享一些资料

cne53102

谈谈我郁闷的事&请教一些问题&分享一些资料

注册西莫论坛有一段时间了，然而看不懂什么也不知道有什么能分享给大家的，完全外行一个，所以一直也没发什么帖子，这个算是憋了好久首次冒泡了吧。
本人不是学电机的，只是个电子爱好者兼半个学生而已。。今日遇到一些问题，只能来此求教了！
帖子大概很长，但我想至少我后面分享的东西应该是值得一看的。
电机是从今年夏末开始研究的，并没有正儿八经的学过，所以也就断断续续看了三四个月左右，所以下面可能爆出些严重的基础知识问题，请万万不要在意……

为什么打算自己弄电机了呢？我是个电子爱好者呀，是因为想给自己做的电路板弄个外壳而已呀，没有外壳就一个电路板怎么给人用呢？
工欲善其事必先利其器，做个东西处处受限，越想越生气！
所以就鼓捣了雕刻机。从此一发不可收拾课余时间研究了4年。。（拜此所赐大学专业也选了机电一体化）。。现在控制器已经实现了很简陋的性能比较差的8轴联动，但距离真正做成机器恐怕还需要好几年。。
现在想自己搞电机呀，是因为想自己搞个主轴，要自动换刀的，当然，我知道我可以买成品的主轴来用，不过我觉得这是有损我尊严的，我还是要自己搞，更大的一个原因也是因为看德玛吉机床感觉很不开心。

最开始是打算使用成品电机的，然后发现这样转速上不去，皮带传动上三万转太苛刻了，我觉得那皮带分分钟能飞出来抽到我头上，而且这样体积也太大。
因为我是做小型的主轴，所以并不是像传统机床那样加工钢件，主要是加工铝的，要高速，性能上打算追DATRON的机器，他们那个主轴4万转，那铣的就像切泥一样，切屑直接是喷射出去的，如果不知道他们的机器的话，可以看看这个视频，保证印象深刻。
链接：pan。百度。com杠s/1mhyuLT2 密码：19zg
（文件太大只好网盘，这是Youtube上弄下来的原始视频，youku的有广告，我不想转，但在youku上搜DATRON也能找到的）

像德玛吉和DATRON这样的技术，我认为是必须拿到手的，这不是买来一台机器有得用就行的事儿。

这个主轴转速的问题，我用电木铣和木工修边机试过了，前者1800W 24000转，后者600W 31000转，铣铝是可以有挺不错的效果的，也一样铝屑喷射而出，感觉比网上那些雕刻机主轴还有力一些。
虽然比4万低了一万转，但也是有点DATRON的主轴的感觉的，我查了下DATRON的主轴功率也差不多是这个水平，一千多，两千多瓦，转速是4万。

串激电机转速是有的，但并不能长时间使用，那个噪音吃不消，也没办法把转子套在我自己做的主轴上来使用，所以如果做电主轴那肯定是得自己设计电机了。

现在雕刻机主轴大多数是变频异步电机，我因为需要能精确控制它的旋转角度来实现德玛吉那种铣头上插车刀的功能来实现车铣一体，所以并不打算使用这种方案（虽然也可以但实现起来麻烦）。

现在是打算用永磁无刷来实现，航模电机的放大版，转子缠碳纤维护套。

设计主要靠在仿真软件里尝试各种参数，因为并不会什么电机方面的计算。
（并不能发任何截图，或告知这款软件是什么，因为目前用的是盗版。请软件商暂时放过我，就当做是培养未来用户了）

在尝试了几十次之后，确定了这样的设计目标：

1800W(2400W)，4极，12槽，极弧系数0.667（是叫这个吧？如果变成1了的话就是环形磁钢了，0.667就是磁钢不布满的）

供电是400V，额定电流4.5A(6A)，转速35000转（发现设为4万磁钢会很热）
母线400V是由220V整流后升压得到的，这样是为了免受市电电压不稳的影响，也利于提高功率因数（这个就是个升压PFC）

磁钢选的N38（可能选SH38，耐温高，但磁力方面是一样的吧？）

硅钢片选的M310-50A，没敢选太好的怕买不到，话说硅钢片打样一片就要几块钱，不是很便宜诶？明明是用激光切。。

经过各种尝试，确定了如下参数：

定子外径80，叠长85

转子外径46（套筒厚1mm）

气隙1mm，磁钢厚4mm（面包型磁钢？）

现在电脑仿真的结果是：

转子轭1.2
气隙磁密0.7~0.8
定子齿1.37
定子轭1.2

有一些零星的小地方有1.41的，非常小，我想这不会有什么问题。

我这个磁密弄的应该是比较低，这主要是想以此降低发热量，并能忍受一定的过载。

仿真显示电机转15分钟停5分钟（100%额定电流），8小时后磁钢温度大约是78度，定子水冷，定子铁芯65~70度（水流很慢）。

损耗最大的是铁芯（仿真显示齿+轭一共365W的损耗，磁钢损耗才1.49W，转子铁芯几乎为0），磁钢比铁芯热是因为没法散热，做风冷的话会有灰尘吸在磁钢上所以不可以。

折腾了好久才试出了这个磁钢78度的参数。。

我现在不解的是：

算上碳纤维护套，我的实际气隙应该是2mm，是不是太大了？但一旦改小，铁芯磁密暴增，也很难控制发热量了。

一般这样大的电机，定子匝数大概在多少？我这个超过6匝就无法达到4万转了，但6匝依然电感量太小，需要PWM频率超过300Khz甚至要达到500Khz才能实现对电流的良好控制，这对驱动器的要求比较高，虽然也不是绝对达不到，但我想这应该是不太对的，合理的设计应该是寻找最合理的搭配，而不是狂拼某个参数，强行高频PWM大概不是最佳方案，一般大功率的高速永磁无刷是怎样解决这个矛盾的呢？(另，400V只有6匝简直想一想都会炸掉啊，这不对吧？)

转子磁轭使用不导磁的材料，譬如铝会怎样呢？仿真结果显示能有效降低发热量，也利于转速提升，但很多地方都说不应该这样，论坛里也有说这个的帖子，但并没看明白到底有何缺点和优点。是不是因为这样磁路大开，磁密上不去，导致磁钢的利用率很低呢？还有什么别的缺点吗？发热量的大幅下降十分诱人，铝也容易加工啊。。

我是不是这个电机的参数从一开始就不太合理？那应该是怎么样的呢？

望各位大神指教，也请不要担心我会抢了您的生意而保密的太深，（我发现电机并没有特别多的公开资料），我是不可能自己开始生产电机的，因为我不是干这个的呀，就算我自己搞好了机器，也是找你们来做这个电机不是？

我只要能够实现木工电木铣同等的性能我就知足了，如果实在不行，修边机的功率总能达到吧？不能的话我就真去研究串激电机了哈哈哈（哭笑）。。

话说这可算是知道啥叫上下而求索了，我真没想到会需要自己设计电机，真是逼的我上天入地。。我只想安安静静的做点简单的电路好吗（哭笑）。。

这里分享一本英文的无刷电机设计的电子书，好像论坛里没有，这本书卖很贵的哟~虽然想翻译一下来着，但因为我本身并不懂电机，里面看起来也有不少数学的东西，所以也一直没翻译成。。

《Brushless Permanent Magnet Motor Design Version 2》

链接：pan。百度。com杠s/1mhaElfy 密码：sn41
论坛貌似只能上传4MB的文件，分卷的话就太长了，只好发网盘，大家将就下。

还有就是想让大家看看一个德国公司的产品：
图片非常惊艳，一些细节也值得留意，希望知道怎么回事的大神能够讲解一下。
（我不知道是不是大家都知道这家哦，我只是看论坛里没有人转载他们的图）
这家公司叫e+a Elektromaschinen und Antriebe AG，我并不认识德文，但应该是德国的。

第一张图是转子，高速电机用的转子，他们只生产定子和转子套，没有轴，用户自己做轴。
这些空心的转子内孔是锥孔的，与轴装配好后，用螺母拧紧。
这张图上，外层黑色的是碳纤护套，磁钢缠在里面，中间层放大了看像是铝的，内层是带有星星点点的锈迹的金属。
这图令我十分不解，他内圈并不是硅钢片，虽然看起来应该是导磁的金属，但这么薄就够了吗？这样作为转子轭没问题吗？
还是说，他们期望依靠用户的轴来控制磁密呢？但这又不是硅钢片，还是高速使用的型号，不会烧起来吗居然？

下面这个是不锈钢护套的，是转速低一些的，那一圈螺丝孔是胀套，拧紧后转子内孔就与轴涨紧了，也是锥度的原理。

这个是低速大扭矩的产品，同样，磁轭不是硅钢片！不知道是什么材料，有人能解释一下吗？虽然低速但转速并没有低到那种程度啊！

下面一个定子线圈和一个铸铜转子的图供欣赏，你看国内那铸铝转子做个那个恶心样，看看人家这做的，这啥区别，我看着都着急！（拍案）
铸铜转子那个好像也不是硅钢片呢？到底是啥东西？


下面是另一个叫ThinGap公司的产品，是很特别的大型空心杯，无框无槽直驱电机：
他们的线圈绕的非常整齐，也许是因体积比较大，容易使用辅助工具？





大致想到这么多，希望各位帮帮我的忙，让我这个主轴的电机部分能搞出来。如果我有表达不详细的地方请指出。
另外我虽然并不能共享我主轴所有的部分，但至少电机这部分肯定可以与大家分享成果。
不知道是真的会的人太少还是因为电机行业比较封闭，总觉得电机国内国外网上都不像什么单片机啊，什么编程之类的东西有很多很多共享的资料，开源的程序。
我并无意进电机行业抢口饭吃，只是看看国外的德玛吉、哈斯、达创啥的，再看看国内的傻大黑本粗，实在是太看不下去了。。各位应该也知道这是啥区别，你们看得下去吗？上面的那几张图片，人家现在玩的那是什么玩意啊，我们不能总靠那些走量的东西度日吧？差的太多，是会死的吧？

沙隆巴斯

这东西不好做，楼主加油。

何志勇

    看完了你的帖子,首先要肯定你虽然不是学电机的,但是对这样的特殊电机敢于去啃一啃的勇气,表示赞许.但是,做技术就是做技术,来不得半点马虎的,根据我的经验,要做这个电机你只是做了电磁计算仿真是不够的,其实电磁计算方面,用路的计算也是足够工程需要了,主要是结构问题,材料问题.你在文章中也说到外国的同样类型电机,做的小巧,漂亮,国内的就是笨重,不是很好看.主要原因在于我说的工艺水平,材料水平.
    看了你的电磁参数,与结构参数,应该没有上大的问题.至于里面谈到气隙2mm(应该是单边),我觉得太大了,应该在0.8mm左右合适,否则你的电机,励磁电流会比较大.另外,转速在4万转/分,你需要计算转子的强度等等.轴承不知道你用的什么牌子?希望你加强结构方面的考虑,电磁方面我看了,认为有余度,问题不大.

cne53102

何志勇 发表于 2016-1-26 15:14
看完了你的帖子,首先要肯定你虽然不是学电机的,但是对这样的特殊电机敢于去啃一啃的勇气,表示赞许.但是 ...

非常感谢您的回复！

是的我只是做了仿真，这实在是条件有限，我在有学校老师和领导的帮助下也只能试制一次样机，在那之前，基本上只能靠软件仿真了。
如您所说，做技术就是做技术，来不得半点马虎，现在还有很多地方不是很明白，也没有办法确认实际情况是否会与仿真结果相符，现在的状态是不能够开始试制样机的。

现在，已经设计了一些个特殊的工具，用来固定磁钢、绕碳纤、浸树脂等等，能够牢固地固定磁钢（不是胶粘，这个在考虑申请专利），即使磁钢碎裂也不会射出去的。
实现前面图中那样的外观没有问题（就是工序挺多的…）。
也设计了一个转子轴内水冷的方案，在必要时也可采用，但转速高，这个密封部件（非接触气封）会占一定的空间，需尽可能避免使用。
动平衡靠转子两端封入的钢珠或顶丝来调整。

应该说，做出这个东西来没问题，但我并不懂电机方面的东西，所以能不能转很担心，是不是转起来就热的冒烟了也很担心。。

气隙是单边2mm，1mm空气，1mm碳纤维护套。
我现在是靠那个气隙来维持磁密的，如果减小气隙，磁密会变得很大，然后发热就会很严重，如果增大磁轭和定子齿的宽度，绕组的空间就会变小，产生另一个问题。

可否指点一下，在减小气隙后，我该调整哪些参数来使得这个电机处在合适的状况下呢？（另外修改转子叠长好像没看到明显的变化？）

您说的励磁电流会比较大是否就是指我说的算下来绕组只有6至10匝，以至于PWM频率需要很高才能控制住电流这个问题？
这个现在还没有找到很好的解决方法，以至于电机电流不易控制，启动困难，目前想到的对策有2个：动态调节母线电压和绕组抽头根据转速调节匝数。
使用[12槽8极]似乎比[12槽4极]能够使用更小的磁轭和定子齿宽，但[12槽8极]真的适合我这样的转速吗？。。

轴承现在选用SKF的陶瓷球角接触轴承（贵死了），转速尚有余量，油气润滑，液压调整预紧力，能够实现很精确的动态调整。

cne53102

何志勇 发表于 2016-1-26 15:14
看完了你的帖子,首先要肯定你虽然不是学电机的,但是对这样的特殊电机敢于去啃一啃的勇气,表示赞许.但是 ...

网友sgyub在坛中2010年的帖子《永磁电机致命伤》中提到永磁电机存在二大致命伤:
1.空载转矩在高速旋转时太大;
2.反电动势过高,高速特性不如异步电机和开关磁阻电机.

我想我应该是遇到了这个问题。

在我看来，串激电机之所以能够有着那样狂野的性能，是因为它是自动弱磁调速的，高低速都能有着很好的搭配。
所以，永磁无刷的磁钢若是可调的，那岂不是正合了我意？我需要的是在超宽的调速范围内保持良好性能。
（单依靠控制器来弱磁调速是比较有限的，并不完美）

日本芦屋大学有一个叫“可变界磁电机”的设计，用在太阳能汽车上的，绕组和磁钢的相对位置可以变动，通过这种方法获得更宽的运行范围。

请看这个视频：


我在仿真中尝试过这种方式，同时采用绕组抽头，动态调整的方式来切换10匝和30匝绕组，仿真结果是令人满意的，转速范围变大很多，高速模式并未损失太多扭矩，低速下还获得了比普通方案更大的扭矩，同时也没有异常的温升，高速模式时反而温度相对更低了。

但不知道这种方法有何弊端？是否会引起什么问题？

另外，抽掉的空间就什么都没有了，是否应该在转子上增加一些额外的硅钢片来填补这个空间？（我的软件无法仿真这一点）这么干会有好下场吗？

何志勇

cne53102 发表于 2016-1-26 17:45
非常感谢您的回复！

是的我只是做了仿真，这实在是条件有限，我在有学校老师和领导的帮助下也只能试 ...

不要感谢我什么,我们都是在电机方面做技术的,能相互学习帮助就是最好的了.在电机设计方面,我做了20多年了,不过大/中型的比较多,小电机不是很多,也是比较感兴趣的事情.
下面说说你的电机事情:
1.我上次回复你的帖子中,谈到希望你设计的电机的气隙小一些,就是为了减小定子的激磁电流,当然考虑到你设计的电机转子磁钢需要保护,气隙可能也不能太小,需要计算一下离心力,然后决定.
2.你想进行"动态调节母线电压和绕组抽头根据转速调节匝数",这个想法我表示反对的.为什么呢?一是,电压调节也是需要保证V/F基本不变的,也就是说当你将电机的转速提高(也就是F频率提高),V肯定也需要提高,否则定子磁路得不到平衡;二是,当电机设计的极数确定,对于你设计的电机(应该是永磁交流电机,不是永磁无刷直流),转速受控于定子绕组内电流的F(频率),与你调节绕组的匝数没有关系.
3.永磁电机的磁场是由你转子上的永磁体产生的,Bδ(气隙磁密)的大小与你电机的铁心长度的确没有什么大的关系,当然也不能说一点关系也没有,因为,总有漏磁什么的分量要影响整体的磁路的,好多大学的教授,学生,一辈子在研究那个漏磁问题呢.典型的就是直线电机,因为直线电机由于定/转均开放了,没有旋转电机铁心闭合的好分析,说远了点了.如果你要调整定/转子磁路上的B,建议你改变磁钢的极弧宽度,也就是电机里面常说的极弧系数α,一般取在0.65~0.72之间.
4.你最好参考一下以前有没有人设计过类似上午产品,要学会站在巨人的肩膀上,这样你可以少走弯路,少经济投入,成功的机会会很大.电机不用担心转不起来的,你想想:有力的作用,有扭矩,转肯定没有问题,就是像你所担忧的,会不会是昙花一现,出问题就不转了,这很有可能的,但是这不能作为做技术的人,去止步,颓废的理由.做什么事情:要做到战略上藐视它,而在战术上重视它.这些算是我的不成熟的建议,说多了.希望你好好努力!

cne53102

何志勇 发表于 2016-1-27 09:46
不要感谢我什么,我们都是在电机方面做技术的,能相互学习帮助就是最好的了.在电机设计方面,我做了20多年了 ...

哈哈当然要感谢，仅仅是回复我的帖子就让我信心百倍了。

目前使用的磁钢固定方式不会发生整块脱落的问题，碳纤护套是保护措施，是担心磁钢被撕裂后，表层脱落飞射出去，感觉做到0.8气隙是可以的，当然，这个是要计算一下的。

动态调节电压当然是与F配合的，控制器实现这个没有问题，我这电子方面还是很有信心的，之所以打算这么干，是因为绕组电感小，PWM频率达不到那么高，所以才打起调电压的主意。
我这个现在还是按照直流无刷的方式做的，高速模式下就是六步方波（光电和霍尔混合的有感驱动，NSK的高速电机就是这样的方案），低速下是伺服的，可以定角度。频率其实是被动的。
如果能直接PWM，那当然不希望这么麻烦，但现在绕组就那么几匝，反电动势还高达400V……PWM频率不够高显然会炸机。。

我试着探索一下您说的0.8mm气隙或1mm的气隙，看看能否找到一个比较合理的参数。

买了几个电机来研究，有参考价值，但也发现了一些不可思议的地方（与仿真结果不符，就好像是那个电机参数虚标了很多似的）
不过买来的电机都没有这么高的转速，所以既然是打算挑战极限，那有些东西还是需要自己探索的。

这玩意肯定要给它搞出来的，而且也并不存在什么无法逾越的障碍

czvmkl

4万转, 对轴承比较大的考验

欧阳庆

显然你做的是三相永磁无刷的方案，对你pwm的频率要达到300~400KHz不可想象，另外，你需要多大的转速范围？主要用于什么方面？只是雕刻机吗？

cne53102

czvmkl 发表于 2016-2-11 16:43
4万转, 对轴承比较大的考验

是的，目前选的SKF的陶瓷球，贵死了

cne53102

欧阳庆 发表于 2016-2-12 12:40
显然你做的是三相永磁无刷的方案，对你pwm的频率要达到300~400KHz不可想象，另外，你需要多大的转速范围？ ...

是的，最近按照前面网友 何志勇 所说，尝试使用了0.8mm的气隙，取得了一些新的进展，使电流更容易控制了，力量也更大了，在低速模式下有望使用20K的PWM，但详细信息需再过一段时间整理后再发出来。

300K到400K的PWM虽然可以强行驱动到这个频率，但整体代价太高了，显然是不能硬拼这个的，硬拼是邪道。

我这个低速模式(0至8千转范围)下是个伺服电机，要能转到任意角度的，高速模式希望能达到4万转，但至少3万，如果能实现，最好能短时间超载到6万转（未考虑轴承且不抱希望）

欧阳庆

真不知你为何会这样，一般pwm的频率不会太高，小于20kHz,以前搞单相永磁时只用到6kHz，转速也可以达到3~4万转/分，当然也可以延伸到几千转的区域，但对我而言，低转速无任何用处。

cne53102

欧阳庆 发表于 2016-2-13 00:01
真不知你为何会这样，一般pwm的频率不会太高，小于20kHz,以前搞单相永磁时只用到6kHz，转速也可以达到3~4万 ...

因为高速下反电动势大，现在已经用了400V的电压，不希望再增加了，所以减小了绕组圈数，但这样电感量暴跌，如果PWM频率过低，电流将变得不可控（会炸管），所以出现这样的问题。

你的6khz是怎么实现的？是什么样的电机？

欧阳庆

电机是单相永磁无刷直流电机，起初也认为pwm频率应该高，但实际高了之后不好。电机的电源400伏直流，输入功率2000瓦。

cne53102

欧阳庆 发表于 2016-2-13 11:42
电机是单相永磁无刷直流电机，起初也认为pwm频率应该高，但实际高了之后不好。电机的电源400伏直流，输入功 ...

这样啊…………看来这个应当留意一下。。

lvwei1020

之前见过一个做主轴的，他们的电机自己做的，无刷的他们做到８ｗ转了，他们想做到１５ｗ转的，一直做不上去。轴承采用的是气轴承。

cne53102

lvwei1020 发表于 2016-2-15 14:06
之前见过一个做主轴的，他们的电机自己做的，无刷的他们做到８ｗ转了，他们想做到１５ｗ转的，一直做不上去 ...

6万及6万转以上的主轴比较适合精细雕刻，磨削，PCB或玻璃加工应用。
我这个目前定位是铜铝有色金属加工，而且还希望保留一些低转速铣加工的能力。
目前低速模式是0-8000转，高速模式是8000-35000(40000)转。1.2KW或2.4KW（主要是目前不清楚实际发热能在什么程度）
这个成功以后，会考虑弄一个小体积的几百瓦的高转速主轴，4万转以上的。

lvwei1020

cne53102 发表于 2016-2-15 15:21
6万及6万转以上的主轴比较适合精细雕刻，磨削，PCB或玻璃加工应用。
我这个目前定位是铜铝有色金属加工 ...

楼主是自己做机床玩还是做主轴？当时见到的主轴好像是电路板用的，２.４ｋｗ

cne53102

lvwei1020 发表于 2016-2-15 16:22
楼主是自己做机床玩还是做主轴？当时见到的主轴好像是电路板用的，２.４ｋｗ

做机床，不是玩，但想要高性能，必须先搞定这个主轴，我不希望买现成的主轴，也没有找到令我满意的主轴。

我想实现DATRON的机器的那种加工效果，但是，是5轴的,双卡盘（这样说的话算6轴），差不多一个柜子那么大吧，可能几年之后才能完成，工程太大。

小木

何志勇 发表于 2016-1-26 15:14
看完了你的帖子,首先要肯定你虽然不是学电机的,但是对这样的特殊电机敢于去啃一啃的勇气,表示赞许.但是 ...

这么大的转速，0.8mm的气隙太小了吧。