直驱式数控机床转台采用直驱式永磁电机(Direct-drive Permanent Magnet Synchronous Motor,DD-PMSM)直接驱动,与传统数控转台的“机械传动机构+高速伺服电机”相比,由于DD-PMSM机械传动链为零,因此不存在机械传动链所固有的摩擦、磨损及润滑油跑、冒、滴、漏等问题,运行效率也远高于传统传动形式的数控机床转台。将现有永磁同步电机(简称永磁电机)直接安装于数控机床转台中,会出现以下两方面问题:①转矩密度偏小(目前永磁电机转矩密度一般仅为50kNm/m3)所导致的数控机床切削能力不足;②四周密闭的数控机床转台会造成永磁电机内部热量无法散出,直接导致定子绕组烧毁和转子永磁体失磁。针对上述问题,本文设计出一种转矩密度高达65kNm/m3且可对其进行水冷的数控机床转台用DD-PMSM,可有效解决现有永磁电机的上述不足。本文首先概述了现有永磁电机的国内外研究现状,阐述了永磁电机的机电结构、温度场计算及冷却系统设计方法,通过ABC三相坐标系下永磁电机的电磁场数学模型,建立了转子同步旋转而坐标系下永磁电机的转矩方程,并给出适于DD-PMSM的最佳磁路结构。根据设计要求,对所设计的DD-PMSM机电结构(包括定子尺寸、槽形结构、绕组形式和永磁体尺寸)等关键参数进行初步分析与计算,并将所得参数导入RMxprt模块中,通过控制变量法优化了定子槽型的最大槽深、永磁体厚度及气隙长度,得到了高转矩密度及高运行效率的永磁电机模型,可直接用于直驱式数控转台并进而形成本文所需的DD-PMSM模型。将RMxprt生成的DD-PMSM模型导入Maxwell中,利用有限元法对其进行空载、负载及损耗等多项机电特性仿真分析,并与磁路法得到的计算结果进行对比,验证了上述参数优化的合理性。利用等效原则,建立了等效绕组模型,计算出绝缘层等效导热系数及气隙有效导热系数,结合边界对流换热系数,在Workbench环境下建立了三维磁热耦合模型,并对其进行分析计算,获得了 DD-PMSM核心部件——绕组及永磁体的温度分布云图。针对所设计的DD-PMSM绕组及永磁体温度过高问题,给出了适于DD-PMSM使用的轴向式水冷系统,计算并优化了水流流速,利用CFX模块得到水流场迹线云图。上述工作表明:①所设计DD-PMSM的转矩密度能够满足数控机床转台要求;②水冷系统可保证DD-PMSM散热状况良好,使永磁体及绕组温度降至许用温度以下。