高速电主轴机电耦合动力学特性研究

• 作 者: 张亚军
• 机 构: 兰州理工大学
• 出 处: 兰州理工大学
• 发表日期: 2015年期
• 关键词: 高速电主轴 机电耦合 动力学特性 转子偏心

高速电主轴单元是高速、高精度机床的核心部件。电主轴单元是一种新型的机床主轴结构，实现了机床的“零传动”，是一种多变量、非线性、强耦合系统，其系统的机电耦合效应对电能转换为磁能、磁能转换为机械能的过程有重要的影响。目前，电主轴系统的设计生产是通过对其各个功能部件独立设计来实现的，由于该方法将系统中机械功能部件与电磁功能部件分离开来设计，忽视了高速电主轴系统内部机械参数与电磁参数之间耦合效应对系统运行的干扰，导致系统运行状态、输出特性对应于设计参数产生偏差，不能满足高速、高精度机床的要求。因此对电主轴系统进行机电耦合动力学研究具有十分重要的价值与意义。本文建立了高速电主轴系统的机电耦合动力学模型，并用MATLAB/Simulink对其进行了仿真分析，对比说明了转子正常与转子偏心时机电耦合作用下电主轴的输出特性。主要工作如下：　　（1）高速电主轴系统中存在着多种耦合作用，是一种典型的复杂机电系统，针对此特点，对高速电主轴系统进行耦合分析；归纳并提炼高速电主轴系统中存在的各种耦合事实，得到系统的机电耦合框图。　　（2）电主轴电动机的转子与机床主轴过盈联接成为一体，在理论上可以将电主轴看作为一台高速电动机，根据电主轴的这一结构特点，将电主轴系统简化为一台高速电动机。归纳出简化系统内部的机电耦合关系图，根据多回路理论列出系统的电气方程，其中包括磁链方程和电压方程；根据力学基本定律列出系统的转矩方程。联立系统的电气方程和转矩方程得到电主轴系统的数学模型。　　（3）高速电主轴电动机转子偏心对系统机电耦合动力学特性的影响不容忽视。在建立了高速电主轴系统机电耦合动力学模型的基础上，分别计算出电主轴转子正常与转子静态偏心状态下的电感参数。　　（4）应用得到的数学模型对高速电主轴进行了仿真分析，并且对比分析了转子正常情况与转子静态偏心状态时高速电主轴的运行特性。结果表明：转子静偏心量的存在，延迟了高速电主轴的启动过程；转子存在静态偏心量时电主轴进入额定状态后转子仍然存在较大的电流，这会增加电机的稳态温升；转子静态偏心量的存在延长了电主轴施加负载后从空载额定状态进入新的动态平衡的时间。