万能外圆磨床结构改进设计-高速磨头无轴电机设计48页 27000字数+说明书+任务书+开题报告+18张CAD图纸【详情如下】A0装配图.dwgA2外缸筒.dwgA2机座.dwgA3内缸筒.dwgA3前端盖.dwgA3后端盖.dwgA3轴.dwgB4基准环.dwgB4定位轴套.dwgB4径向传感器支架.dwgB4电机定子外圈.dwgB4磁轴承外圈.dwgB4磁轴承定子.dwgB4磁轴承端盖.dwgB4轴套1.dwgB4轴套2.dwgB4轴承挡圈.dwgB4铝圈.dwg万能外圆磨床结构改进设计-高速磨头无轴电机设计开题报告.doc万能外圆磨床结构改进设计-高速磨头无轴电机设计论文.doc任务书.doc外文翻译-数控技术和装备发展趋势及对策.doc毕业作业周次计划.检查落实表.xls摘要本文首先介绍了万能外圆磨床的结构及功用，并对高速加工进行了概述，进而对无轴承电机的研究现状进行分析，并阐述了对无轴承电机研究的意义；然后从无轴承电机的总体结构入手，对无轴承电机的机械结构及零部件进行了设计；与此同时又分析了无轴承电机中永磁偏置径向轴向磁轴承的工作原理，建立数学模型，以具体的参数要求为例，对其结构参数进行计算。最后总结全文内容，突出毕业设计工作的重点，对未来的工作进行展望。关键词：万能外圆磨床；高速加工；无轴承电机；磁轴承；数学建模目录摘要IIIAbstractIV目录VI1 绪论1 1.1 设计的总体要求1 1.2 M1432A型万能外圆磨床总体描述2 1.2.1 机床的结构2 1.2.2 机床的总体布局2 1.2.3 机床的主要技术性能3 1.2.4 机床的机械传动系统3 1.3 基于高速加工技术的无轴承电机研究意义与现状4 1.3.1 基于高速加工技术的无轴承电机研究意义4 1.3.2 基于高速加工技术的无轴承电机研究现状6 1.4 无轴承电机的特点及应用7 1.4.1 无轴承电机的特点7 1.4.2 无轴承电机的应用7 1.5 无轴承电机的发展前景82 高速加工技术概述9 2.1 高速加工的定义9 2.1.1 高速加工中心的类型9 2.1.2 高速加工的特点9 2.2 高速加工的关键技术10 2.2.1 刀具技术10 2.2.2 机床技术11 2.2.3 CAM软件123 高速加工技术中磁浮轴承主轴单元设计13 3.1 引言13 3.2 主轴单元轴承的组成15 3.2.1 机械系统15 3.2.2 磁轴承的偏磁回路15 3.2.3 控制回路系统15 3.3 永磁偏置轴承的结构及工作原理16 3.3.1 永磁偏置轴承的基本结构17 3.3.2 永磁偏置轴承的工作原理18 3.4 永磁偏置轴承的设计19 3.4.1 磁路计算的基本定律和公式罗列20 3.4.2 永磁偏置轴承的等效磁路分析20 3.4.3 径向轴向磁轴承的吸力方程22 3.4.4 径向轴向磁轴承的承载能力23 3.4.5 径向轴向混合磁轴承参数设计24 3.5 悬磁轴承的参数设计与校核27 3.5.1 选取永磁材料27 3.5.2 确定工作气隙磁感应强度27 3.5.3 磁极面积的计算27 3.5.4 求定子内径28 3.5.5 求磁极弧长及叠片厚度28 3.5.6 安匝数的计算28 3.5.7 匝数与电流的分配28 3.5.8 线径28 3.5.9 窗口面积的求取28 3.5.10 永久磁铁参数计算294 无轴承电机结构的设计30 4.1 设计的总体概况30 4.2 无轴承电机的结构设计30 4.2.1 转子结构设计30 4.2.2 转子上零件的布置31 4.3 无轴承电机的总体结构设计31 4.4 悬浮轴承的结构选择与设计32 4.4.1 磁悬浮轴承总体结构设计32 4.4.2 永磁偏置径向轴向磁轴承的总体结构设计33 4.5 无轴承电机结构件的结构设计33 4.5.1 定子与转子的设计33 4.5.2 传感器部件的设计34 4.5.3 机壳的设计35 4.5.4 工作轴的设计36 4.5.5 轴承端盖的设计365 结论与展望38致谢39参考文献401 绪论1.1 设计的总体要求现代机械加工越来越需要提高效率，通常采用高速加工，主要是采用高速主轴，因而高速加工中无轴承电机的结构设计就显得很重要，本文正是基于万能外圆磨床适应于高速加工要求对高速主轴的无轴承电机结构设计，探寻磁悬浮在普通机床高速主轴中的应用，因其独具的悬浮机理和结构特点使之在生物工程、航空航天、高新能源、半导体制造业、食品加工以及医药卫生等领域也得到成功的应用。随着我国经济进一步发展，在很多特殊电气传动领域必将改变传统的传动和传输方式，对提高产品质量、降低成本、减少污染将会起到重要作用。因此，无轴承电机在我国具有很大的潜在应用市场，积极开展无轴承电机的研究和在普通机床上的应用具有现实和深远意义。外圆磨床分为普通外圆磨床和万能外圆磨床。在普通外圆磨床上可磨削外圆柱面和外圆锥面，在万能外圆磨床上还能磨削内圆柱面和内圆锥面和端面。外圆磨床的主要参数为最大的磨削直径。外圆磨床以两顶心为中心，以砂轮为刀具，将圆柱形钢件研磨出精密同心度的磨床（又叫顶心磨床或圆通磨床）。外圆磨床的主机有床身、车头车尾、磨头、传动吸尘装置等部件构成。车头、磨头可调角度，用于修磨顶针及皮辊倒角专用夹具。本设计就是以M1432A型万能外圆磨床为例对原来的普通主轴进行优化设计，采用无轴承电机进行砂轮主轴的驱动。无轴承电机是典型的机电一体化产品，由于它具有上述诸多优良性能及其在众多工业领域内的应用前景，使得无轴承电机技术越来越受到国内外专家、学者的关注与重视。而我国对这一技术的研究尚不成熟，针对这种情况，我们在毕业设计中选择了这一课题。鉴于无轴承电机不但具有磁悬浮轴承的优点，而且比其他同功率的电机及支撑装置，体积小、重量轻、能耗小，对于提高高速及超高速运转机械的工作性能具有重要意义，本文就是基于这些问题提出的。对于一个典型的无轴承电机来说，它主要由机械、检测、控制三大主要部分组成，而控制系统是整个系统的关键，而合理的机械结构设计又是保证承载能力要求和运行稳定可靠的前提，所以，本设计主要对机械系统和控制系统进行分析和设计。文中以无轴承电机的永磁偏置径向轴向磁轴承本体结构的设计（机械部分）及控制系统为主要研究对象，设计出合理的结构参数和控制系统，并对系统的稳定性进行简要的分析。第一章介绍了基于高速加工技术的无轴承电机的研究意义及现状。此外还介绍了本设计的提出及主要内容的安排。第二章简单介绍了一下高速加工技术的发展现状及关键技术。第三章从基于高速加工技术的无轴承电机的总体结构入手，对无轴承电机的机械结构及零部件进行了设计。第四章分析了无轴承电机中永磁偏置径向轴向磁轴承的工作原理，建立了数学模型，并以具体的参数要求为例，对其结构参数进行计算。最后总结全文内容，突出研究工作的重点，并对未来的工作进行展望。 6、内圆磨具3：用以支承磨内孔的砂轮主轴。内圆磨具主轴由专门的电动机驱动。 7、滑鞍6及横向进给机构：转动横进给手轮7，可以使横进给机构带动滑鞍6及砂轮架沿床身垫板的导轨作横向移动。也可以利用液压装置，使滑鞍6作周期的自动切入进给。此外，在床身内还有液压传动装置。 1.2.3 机床的主要技术性能外圆磨床的主要参数为磨削工件的最大直径，本机床的主参数为320 mm。外圆磨削直径 8320 mm 外圆最大磨削长度 1000 mm；1500 mm ；2000 mm 内孔磨削直径 30100 mm 内孔最大磨削长度 125 mm 磨削工件最大重量 150kg 砂轮尺寸外圆砂轮转速 1670r/min 头架主轴转速6级： 25，50，80，112，160，224 r/min 内圆砂轮转速 10000 r/min；15000 r/min 砂轮架电动机功率 4 kW 内圆磨电动机功率 1.1 kW 电动机总功率 6.72 kW 工作台纵向移动速度（液压无级调速）0.054m/min 机床外形尺寸（三种规格） 3200，4500，5800 kg 1.2.4 机床的机械传动系统M1432A型机床，除工作台的纵向往复运动、砂轮架的快速进退及尾架顶尖套筒的缩回为液压传动外，其于运动都是机械传动的。机械传动系统如图1.2所示。头架（带动工件）的传动此传动链用于实现工件的圆周进给。运动由双速电动机驱动，经三级皮带传动，使头架的拨盘拨动工件，实现圆周进给。这时，主轴本身是不旋转的。外圆砂轮的传动

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关键词：: 万能磨床结构改进改良设计高速磨头无轴电机机电

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万能外圆磨床结构改进设计--高速磨头无轴电机设计

48页 27000字数+说明书+任务书+开题报告+18张CAD图纸【详情如下】

A0装配图.dwg

A2外缸筒.dwg

A2机座.dwg

A3内缸筒.dwg

A3前端盖.dwg

A3后端盖.dwg

A3轴.dwg

B4基准环.dwg

B4定位轴套.dwg

B4径向传感器支架.dwg

B4电机定子外圈.dwg

B4磁轴承外圈.dwg

B4磁轴承定子.dwg

B4磁轴承端盖.dwg

B4轴套1.dwg

B4轴套2.dwg

B4轴承挡圈.dwg

B4铝圈.dwg

万能外圆磨床结构改进设计--高速磨头无轴电机设计开题报告.doc

万能外圆磨床结构改进设计--高速磨头无轴电机设计论文.doc

任务书.doc

外文翻译--数控技术和装备发展趋势及对策.doc

毕业作业周次计划.检查落实表.xls

摘要

　　　本文首先介绍了万能外圆磨床的结构及功用，并对高速加工进行了概述，进而对无轴承电机的研究现状进行分析，并阐述了对无轴承电机研究的意义；然后从无轴承电机的总体结构入手，对无轴承电机的机械结构及零部件进行了设计；与此同时又分析了无轴承电机中永磁偏置径向轴向磁轴承的工作原理，建立数学模型，以具体的参数要求为例，对其结构参数进行计算。最后总结全文内容，突出毕业设计工作的重点，对未来的工作进行展望。

关键词：万能外圆磨床；高速加工；无轴承电机；磁轴承；数学建模

摘要III

AbstractIV

目录VI

1 绪论1

1.1 设计的总体要求1

1.2 M1432A型万能外圆磨床总体描述2

1.2.1 机床的结构2

1.2.2 机床的总体布局2

1.2.3 机床的主要技术性能3

1.2.4 机床的机械传动系统3

1.3 基于高速加工技术的无轴承电机研究意义与现状4

1.3.1 基于高速加工技术的无轴承电机研究意义4

1.3.2 基于高速加工技术的无轴承电机研究现状6

1.4 无轴承电机的特点及应用7

1.4.1 无轴承电机的特点7

1.4.2 无轴承电机的应用7

1.5 无轴承电机的发展前景8

2 高速加工技术概述9

2.1 高速加工的定义9

2.1.1 高速加工中心的类型9

2.1.2 高速加工的特点9

2.2 高速加工的关键技术10

2.2.1 刀具技术10

2.2.2 机床技术11

2.2.3 CAM软件12

3 高速加工技术中磁浮轴承主轴单元设计13

3.1 引言13

3.2 主轴单元轴承的组成15

3.2.1 机械系统15

3.2.2 磁轴承的偏磁回路15

3.2.3 控制回路系统15

3.3 永磁偏置轴承的结构及工作原理16

3.3.1 永磁偏置轴承的基本结构17

3.3.2 永磁偏置轴承的工作原理18

3.4 永磁偏置轴承的设计19

3.4.1 磁路计算的基本定律和公式罗列20

3.4.2 永磁偏置轴承的等效磁路分析20

3.4.3 径向—轴向磁轴承的吸力方程22

3.4.4 径向—轴向磁轴承的承载能力23

3.4.5 径向—轴向混合磁轴承参数设计24

3.5 悬磁轴承的参数设计与校核27

3.5.1 选取永磁材料27

3.5.2 确定工作气隙磁感应强度27

3.5.3 磁极面积的计算27

3.5.4 求定子内径28

3.5.5 求磁极弧长及叠片厚度28

3.5.6 安匝数的计算28

3.5.7 匝数与电流的分配28

3.5.8 线径28

3.5.9 窗口面积的求取28

3.5.10 永久磁铁参数计算29

4 无轴承电机结构的设计30

4.1 设计的总体概况30

4.2 无轴承电机的结构设计30

4.2.1 转子结构设计30

4.2.2 转子上零件的布置31

4.3 无轴承电机的总体结构设计31

4.4 悬浮轴承的结构选择与设计32

4.4.1 磁悬浮轴承总体结构设计32

4.4.2 永磁偏置径向轴向磁轴承的总体结构设计33

4.5 无轴承电机结构件的结构设计33

4.5.1 定子与转子的设计33

4.5.2 传感器部件的设计34

4.5.3 机壳的设计35

4.5.4 工作轴的设计36

4.5.5 轴承端盖的设计36

5 结论与展望38

致谢39

参考文献40

1 绪论

1.1 设计的总体要求

现代机械加工越来越需要提高效率，通常采用高速加工，主要是采用高速主轴，因而高速加工中无轴承电机的结构设计就显得很重要，本文正是基于万能外圆磨床适应于高速加工要求对高速主轴的无轴承电机结构设计，探寻磁悬浮在普通机床高速主轴中的应用，因其独具的悬浮机理和结构特点使之在生物工程、航空航天、高新能源、半导体制造业、食品加工以及医药卫生等领域也得到成功的应用。随着我国经济进一步发展，在很多特殊电气传动领域必将改变传统的传动和传输方式，对提高产品质量、降低成本、减少污染将会起到重要作用。因此，无轴承电机在我国具有很大的潜在应用市场，积极开展无轴承电机的研究和在普通机床上的应用具有现实和深远意义。

外圆磨床分为普通外圆磨床和万能外圆磨床。在普通外圆磨床上可磨削外圆柱面和外圆锥面，在万能外圆磨床上还能磨削内圆柱面和内圆锥面和端面。外圆磨床的主要参数为最大的磨削直径。

外圆磨床以两顶心为中心，以砂轮为刀具，将圆柱形钢件研磨出精密同心度的磨床（又叫顶心磨床或圆通磨床）。

外圆磨床的主机有床身、车头车尾、磨头、传动吸尘装置等部件构成。车头、磨头可调角度，用于修磨顶针及皮辊倒角专用夹具。

本设计就是以M1432A型万能外圆磨床为例对原来的普通主轴进行优化设计，采用无轴承电机进行砂轮主轴的驱动。

无轴承电机是典型的机电一体化产品，由于它具有上述诸多优良性能及其在众多工业领域内的应用前景，使得无轴承电机技术越来越受到国内外专家、学者的关注与重视。而我国对这一技术的研究尚不成熟，针对这种情况，我们在毕业设计中选择了这一课题。鉴于无轴承电机不但具有磁悬浮轴承的优点，而且比其他同功率的电机及支撑装置，体积小、重量轻、能耗小，对于提高高速及超高速运转机械的工作性能具有重要意义，本文就是基于这些问题提出的。对于一个典型的无轴承电机来说，它主要由机械、检测、控制三大主要部分组成，而控制系统是整个系统的关键，而合理的机械结构设计又是保证承载能力要求和运行稳定可靠的前提，所以，本设计主要对机械系统和控制系统进行分析和设计。

文中以无轴承电机的永磁偏置径向轴向磁轴承本体结构的设计（机械部分）及控制系统为主要研究对象，设计出合理的结构参数和控制系统，并对系统的稳定性进行简要的分析。

　　　第一章介绍了基于高速加工技术的无轴承电机的研究意义及现状。此外还介绍了本设计的提出及主要内容的安排。第二章简单介绍了一下高速加工技术的发展现状及关键技术。第三章从基于高速加工技术的无轴承电机的总体结构入手，对无轴承电机的机械结构及零部件进行了设计。第四章分析了无轴承电机中永磁偏置径向轴向磁轴承的工作原理，建立了数学模型，并以具体的参数要求为例，对其结构参数进行计算。最后总结全文内容，突出研究工作的重点，并对未来的工作进行展望。 6、内圆磨具3：用以支承磨内孔的砂轮主轴。内圆磨具主轴由专门的电动机驱动。

7、滑鞍6及横向进给机构：转动横进给手轮7，可以使横进给机构带动滑鞍6及砂轮架沿床身垫板的导轨作横向移动。也可以利用液压装置，使滑鞍6作周期的自动切入进给。

　　　此外，在床身内还有液压传动装置。

1.2.3 机床的主要技术性能

外圆磨床的主要参数为磨削工件的最大直径，本机床的主参数为320 mm。

外圆磨削直径 8～320 mm

外圆最大磨削长度 1000 mm；1500 mm ；2000 mm

内孔磨削直径 30～100 mm

内孔最大磨削长度 125 mm

磨削工件最大重量 150kg

砂轮尺寸

外圆砂轮转速 1670r/min

头架主轴转速6级： 25，50，80，112，160，224 r/min

内圆砂轮转速 10000 r/min；15000 r/min

砂轮架电动机功率 4 kW

内圆磨电动机功率 1.1 kW

电动机总功率 6.72 kW

工作台纵向移动速度（液压无级调速）0.05～4m/min

机床外形尺寸（三种规格） 3200，4500，5800 kg

1.2.4 机床的机械传动系统

　　　M1432A型机床，除工作台的纵向往复运动、砂轮架的快速进退及尾架顶尖套筒的缩回为液压传动外，其于运动都是机械传动的。机械传动系统如图1.2所示。

　　　　头架（带动工件）的传动

　　　此传动链用于实现工件的圆周进给。运动由双速电动机驱动，经三级皮带传动，使头架的拨盘拨动工件，实现圆周进给。这时，主轴本身是不旋转的。

外圆砂轮的传动

万能外圆磨床结构改进设计--高速磨头无轴电机设计.gif

内容简介：: 无锡太湖学院毕业设计（论文）开题报告题目：万能外圆磨床结构改进设计 -高速磨头无轴电机设计信机系机械工程及自动化专业学号： 0923029 学生姓名：冯会骏指导教师：韩邦华（职称：副教授）（职称：）年月课题来源无锡某企业生产实际科学依据（包括课题的科学意义；国内外研究概况、水平和发展趋势；应用前景等）现代机械加工越来越需要提高效率，通常采用高速加工，主要是采用高速主轴，因而高速加工中无轴承电机的结构设计就显得很重要，本文正是基于万能外圆磨床适应于高速加工要求对高速主轴的无轴承电机结构设计，探寻磁悬浮在普通机床高速主轴中的应用，因其独具的悬浮机理和结构特点使之在生物工程、航空航天、高新能源、半导体制造业、食品加工以及医药卫生等领域也得到成功的应用。随着我国经济进一步发展，在很多特殊电气传动领域必将改变传统的传动和传输方式，对提高产品质量、降低成本、减少污染将会起到重要作用。因此，无轴承电机在我国具有很大的潜在应用市场，积极开展无轴承电机的研究和应用具有现实和深远意义。研究内容通过研究磁悬浮轴承的工作原理及数学建模，改变传统机械轴承的摩擦力大等缺点，实现电机的小型化、高速化、节能化，降低无轴承电机的制造成本。使其广泛应用于高速或超高速数控机床、小型发电设备等领域。拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析 1、无轴承电机具有无接触、无需润滑及无磨损等优点，可以用于真空技术、无菌车间、腐蚀性介质或非常纯净介质的传输 2、无轴承电机比其他同功率的电机及支撑装置，体积小、重量轻、能耗小，能提高高速及超高速运转机械的工作性能 3、无轴承电机转速可以做得很高、功率也可以很大，特别适用于高速或超高速数控机床、涡轮分子泵、离心泵、压缩机、飞轮储能装置及小型发电设备等工业领域。研究计划及预期成果借助图书馆，新华书店的书籍查询相关技术指标及无轴承电机设计所需要的相关知识设计出无轴承电机的结构，同时分析出悬浮控制的原理并合理的应用。特色或创新之处通过改善轴承的机械摩擦，提高能量的利用率已具备的条件和尚需解决的问题首先对无轴承电机的研究意义与现状进行分析，并对设计内容进行安排。然后重点对机械结构进行设计。第三部分分析磁悬浮轴承的工作原理并建立数学模型。最后总结前文，得出结论，对未来工作进行展望。指导教师意见指导教师签名：年月日教研室（学科组、研究所）意见教研室主任签名：年月日系意见主管领导签名：年月日编号无锡太湖学院毕业设计（论文）题目：万能外圆磨床结构改进设计 -高速磨头无轴电机设计信机系机械工程及自动化专业学号：学生姓名：指导教师：（职称：副教授）（职称：） 2013年5月25日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）万能外圆磨床结构改进设计-高速磨头无轴电机设计是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。班级：机械91 学号： 0923029 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日摘要本文首先介绍了万能外圆磨床的结构及功用，并对高速加工进行了概述，进而对无轴承电机的研究现状进行分析，并阐述了对无轴承电机研究的意义；然后从无轴承电机的总体结构入手，对无轴承电机的机械结构及零部件进行了设计；与此同时又分析了无轴承电机中永磁偏置径向轴向磁轴承的工作原理，建立数学模型，以具体的参数要求为例，对其结构参数进行计算。最后总结全文内容，突出毕业设计工作的重点，对未来的工作进行展望。关键词：万能外圆磨床；高速加工；无轴承电机；磁轴承；数学建模IIIAbstractThe paper introduced the construction and use of the grinding machine at first. Then study of high-speed machining, and study of non-bearing motor current situation analysis, and expounded on the significance of study of non-bearing motor; and then never start with the overall structure of the motor bearings on the non-bearing motor mechanical structure and components have been designed; At the same time and analyzed the non-bearing motor in the axial permanent magnet biased radial magnetic bearing works, a mathematical model to specific parameters required, for example, its structural parameters calculated. Last concluded full text, high-lighten the focus of graduate design work on the future work prospects.Key words: grinding machine；High-speed machining；Bearingless Motor or Self-bearing Motor；Magnetic Bearing；Mathematical ModelingIII目录摘要IIIAbstractIV目录VI1 绪论1 1.1 设计的总体要求1 1.2 M1432A型万能外圆磨床总体描述2 1.2.1 机床的结构2 1.2.2 机床的总体布局2 1.2.3 机床的主要技术性能3 1.2.4 机床的机械传动系统3 1.3 基于高速加工技术的无轴承电机研究意义与现状4 1.3.1 基于高速加工技术的无轴承电机研究意义4 1.3.2 基于高速加工技术的无轴承电机研究现状6 1.4 无轴承电机的特点及应用7 1.4.1 无轴承电机的特点7 1.4.2 无轴承电机的应用7 1.5 无轴承电机的发展前景82 高速加工技术概述9 2.1 高速加工的定义9 2.1.1 高速加工中心的类型9 2.1.2 高速加工的特点9 2.2 高速加工的关键技术10 2.2.1 刀具技术10 2.2.2 机床技术11 2.2.3 CAM软件123 高速加工技术中磁浮轴承主轴单元设计13 3.1 引言13 3.2 主轴单元轴承的组成15 3.2.1 机械系统15 3.2.2 磁轴承的偏磁回路15 3.2.3 控制回路系统15 3.3 永磁偏置轴承的结构及工作原理16 3.3.1 永磁偏置轴承的基本结构17 3.3.2 永磁偏置轴承的工作原理18 3.4 永磁偏置轴承的设计19 3.4.1 磁路计算的基本定律和公式罗列20 3.4.2 永磁偏置轴承的等效磁路分析20 3.4.3 径向轴向磁轴承的吸力方程22 3.4.4 径向轴向磁轴承的承载能力23 3.4.5 径向轴向混合磁轴承参数设计24 3.5 悬磁轴承的参数设计与校核27 3.5.1 选取永磁材料27 3.5.2 确定工作气隙磁感应强度27 3.5.3 磁极面积的计算27 3.5.4 求定子内径28 3.5.5 求磁极弧长及叠片厚度28 3.5.6 安匝数的计算28 3.5.7 匝数与电流的分配28 3.5.8 线径28 3.5.9 窗口面积的求取28 3.5.10 永久磁铁参数计算294 无轴承电机结构的设计30 4.1 设计的总体概况30 4.2 无轴承电机的结构设计30 4.2.1 转子结构设计30 4.2.2 转子上零件的布置31 4.3 无轴承电机的总体结构设计31 4.4 悬浮轴承的结构选择与设计32 4.4.1 磁悬浮轴承总体结构设计32 4.4.2 永磁偏置径向轴向磁轴承的总体结构设计33 4.5 无轴承电机结构件的结构设计33 4.5.1 定子与转子的设计33 4.5.2 传感器部件的设计34 4.5.3 机壳的设计35 4.5.4 工作轴的设计36 4.5.5 轴承端盖的设计365 结论与展望38致谢39参考文献40I万能外圆磨床结构改进设计-高速磨头无轴电机设计1 绪论1.1 设计的总体要求现代机械加工越来越需要提高效率，通常采用高速加工，主要是采用高速主轴，因而高速加工中无轴承电机的结构设计就显得很重要，本文正是基于万能外圆磨床适应于高速加工要求对高速主轴的无轴承电机结构设计，探寻磁悬浮在普通机床高速主轴中的应用，因其独具的悬浮机理和结构特点使之在生物工程、航空航天、高新能源、半导体制造业、食品加工以及医药卫生等领域也得到成功的应用。随着我国经济进一步发展，在很多特殊电气传动领域必将改变传统的传动和传输方式，对提高产品质量、降低成本、减少污染将会起到重要作用。因此，无轴承电机在我国具有很大的潜在应用市场，积极开展无轴承电机的研究和在普通机床上的应用具有现实和深远意义。外圆磨床分为普通外圆磨床和万能外圆磨床。在普通外圆磨床上可磨削外圆柱面和外圆锥面，在万能外圆磨床上还能磨削内圆柱面和内圆锥面和端面。外圆磨床的主要参数为最大的磨削直径。外圆磨床以两顶心为中心，以砂轮为刀具，将圆柱形钢件研磨出精密同心度的磨床（又叫顶心磨床或圆通磨床）。外圆磨床的主机有床身、车头车尾、磨头、传动吸尘装置等部件构成。车头、磨头可调角度，用于修磨顶针及皮辊倒角专用夹具。本设计就是以M1432A型万能外圆磨床为例对原来的普通主轴进行优化设计，采用无轴承电机进行砂轮主轴的驱动。无轴承电机是典型的机电一体化产品，由于它具有上述诸多优良性能及其在众多工业领域内的应用前景，使得无轴承电机技术越来越受到国内外专家、学者的关注与重视。而我国对这一技术的研究尚不成熟，针对这种情况，我们在毕业设计中选择了这一课题。鉴于无轴承电机不但具有磁悬浮轴承的优点，而且比其他同功率的电机及支撑装置，体积小、重量轻、能耗小，对于提高高速及超高速运转机械的工作性能具有重要意义，本文就是基于这些问题提出的。对于一个典型的无轴承电机来说，它主要由机械、检测、控制三大主要部分组成，而控制系统是整个系统的关键，而合理的机械结构设计又是保证承载能力要求和运行稳定可靠的前提，所以，本设计主要对机械系统和控制系统进行分析和设计。文中以无轴承电机的永磁偏置径向轴向磁轴承本体结构的设计（机械部分）及控制系统为主要研究对象，设计出合理的结构参数和控制系统，并对系统的稳定性进行简要的分析。第一章介绍了基于高速加工技术的无轴承电机的研究意义及现状。此外还介绍了本设计的提出及主要内容的安排。第二章简单介绍了一下高速加工技术的发展现状及关键技术。第三章从基于高速加工技术的无轴承电机的总体结构入手，对无轴承电机的机械结构及零部件进行了设计。第四章分析了无轴承电机中永磁偏置径向轴向磁轴承的工作原理，建立了数学模型，并以具体的参数要求为例，对其结构参数进行计算。最后总结全文内容，突出研究工作的重点，并对未来的工作进行展望。1.2 M1432A型万能外圆磨床总体描述 1.2.1 机床的结构M1432A型万能外圆磨床是普通精度等级万能外圆磨床，主要用于磨削圆柱形和圆锥形的外圆和内孔，还可以磨削阶梯轴的轴肩和端平面。机床应达到的加工精度和表面粗糙度如表1-1 M1432A型万能外圆磨床（最大磨削长度1000mm）的加工质量所示。表1-1 M1432A型万能外圆磨床（最大磨削长度1000mm）的加工质量加工方法、工件及其装夹方式表面粗糙度圆度公差圆柱度公差精磨外圆工件支承在前、后尖上，不用心架；工件尺寸：直径60 mm 长度500mm。Ra0.160.3 m3m5m精磨外圆工件装夹在夹盘上，不用中心架；工件尺寸：直径50 mm，悬伸长度150 mm。Ra0.160.32m5m精磨内孔工件装夹在夹盘上，不用中心架；工件尺寸：孔径62.5 mm，长度125 mm。Ra0.320.63m 这种机床适用于工具车间、机修车间和单件、小批生产车间。由于机床自动化程度较低，磨削效率不够高，所以，它不宜用于大批量生产车间。 1.2.2 机床的总体布局M1432A型万能外圆磨床由下列各主要部分组成，见图1.1。1、床身1：是磨床的基础支承件，它支承着工作台、头架、尾架、垫板及横向滑鞍、砂轮架等部件，使它们在工作时保持准确的相对位置。床身内腔用作液压油的油池。 2、头架2：用以装夹工件，并带动工件旋转。 3、尾架5：尾架顶尖和头架顶尖一起，用以支承工件。图1.1 M1432型万能外圆磨床外形图 4、工作台8：它由上工作台和下工作台两部分组成。上工作台可绕下工作台的心轴在水平面内调整至某一角度位置，用以磨削锥度较小的长圆锥面。工作台面上装有头架和尾架，它们同工作台一起沿床身导轨作纵向往复运动。 5、砂轮架4：用以支承并传动高速旋转的砂轮主轴。砂轮架装在滑鞍6上，当需要磨削短圆锥面时，砂轮架可以调整至一定的角度位置。 6、内圆磨具3：用以支承磨内孔的砂轮主轴。内圆磨具主轴由专门的电动机驱动。 7、滑鞍6及横向进给机构：转动横进给手轮7，可以使横进给机构带动滑鞍6及砂轮架沿床身垫板的导轨作横向移动。也可以利用液压装置，使滑鞍6作周期的自动切入进给。此外，在床身内还有液压传动装置。 1.2.3 机床的主要技术性能外圆磨床的主要参数为磨削工件的最大直径，本机床的主参数为320 mm。外圆磨削直径 8320 mm 外圆最大磨削长度 1000 mm；1500 mm ；2000 mm 内孔磨削直径 30100 mm 内孔最大磨削长度 125 mm 磨削工件最大重量 150kg 砂轮尺寸外圆砂轮转速 1670r/min 头架主轴转速6级： 25，50，80，112，160，224 r/min 内圆砂轮转速 10000 r/min；15000 r/min 砂轮架电动机功率 4 kW 内圆磨电动机功率 1.1 kW 电动机总功率 6.72 kW 工作台纵向移动速度（液压无级调速）0.054m/min 机床外形尺寸（三种规格） 3200，4500，5800 kg 1.2.4 机床的机械传动系统M1432A型机床，除工作台的纵向往复运动、砂轮架的快速进退及尾架顶尖套筒的缩回为液压传动外，其于运动都是机械传动的。机械传动系统如图1.2 M1432A型万能外圆磨床传动系统图所示。头架（带动工件）的传动此传动链用于实现工件的圆周进给。运动由双速电动机驱动，经三级皮带传动，使头架的拨盘拨动工件，实现圆周进给。这时，主轴本身是不旋转的。外圆砂轮的传动砂轮主轴的运动是砂轮架电动机（1440 r/min，4kw）经4根三角带直接传动的，使主轴获得1670 r/min的转速。内圆磨具的传动内圆磨具主轴由电动机（2840 r/min，1.1kw）经平皮带直接传动。更换平皮带轮，主轴可获得2种转速。内圆磨具装在内圆磨具支架上。为了保证工作安全，内圆磨具电动机的启动与内圆磨具支架的位置有联锁的作用，只有当支架翻到磨削内圆的工作位置时，电动机才能启动。此外，当支架翻到磨内圆位置时，砂轮架快速进退手柄就在原位置上自动联锁住，这时，砂轮架不能快速移动。图1.2 M1432A型万能外圆磨床传动系统图1.3 基于高速加工技术的无轴承电机研究意义与现状目前金属切削加工仍是当今主要的机械加工方法，在机械制造业中有着重要的地位，但如何提高其效率、精度、质量成为传统机械加工面临的问题。20世纪90年代，以高切削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的高速加工（High Speed Machining，HSM）已经成为现代数控加工技术的重要发展方向之一，也是目前制造业一项快速发展的高新技术。本文即是从提高金属切削机床主轴转速的角度探讨一下无轴承电机的结构设计，希望能起到抛砖引玉的作用。 1.3.1 基于高速加工技术的无轴承电机研究意义无轴承电机就是从磁路上将电机和磁悬浮轴承合为一体，利用电机的铁心同时作为磁悬浮轴承的铁心，也称磁悬浮电机。比起传统电机加磁悬浮轴承的结构，它体积小，而且由于电机的磁场被用作产生悬浮力的基础，磁悬浮电机还可以减少磁浮力所需要的电能，从而提高系统的效率。一些精密数控机床、涡轮分子泵、小型发电机或高速飞轮储能等装备中需要用大功率的高速超高速电动机（以下简称为电机）来驱动。我们知道，电机高速运转对机械轴承振动冲击大，机械轴承磨损快，大幅度缩短了轴承和电机使用寿命，为此用机械轴承来支承高速电机严重制约着电机向更高速度和更大功率方向发展。近20多年来发展起来的磁轴承（ Magnetic Bearing ) ，是利用磁场力将转子悬浮于空间，实现转子和定子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承。图 1.3 是由磁轴承支承的高速电机结构示意图。磁轴承支承的电机虽然具有突出的优点，但在不同的应用领域依然存在如下问题：（1）电机的转速和输出功率难以进一步提高；（2）磁轴承需要高性能的控制器、功率放大器和多个造价较高的精密位移传感器等，使磁轴承结构较为复杂、体积较大和成本较高，大大制约了由磁轴承支承的高速电机的使用范围和广泛应用。图1.3 磁轴承支撑的电机结构图所谓无轴承电机（Bearingless Motor or Self-bearing Motor），并不是说不需要轴承来支承，而是不需单独设计或使用专门的机械轴承、气浮或液浮轴承。由于磁轴承结构与交流电机定子结构的相似性，把磁轴承中产生径向悬浮力的绕组叠加到电机的定子绕组上，构成无轴承电机（二自由度见图 1.4 ) ，保证电机定子等效绕组产生的磁场极对数P1与径向悬浮力绕组产生磁场极对数P2的关系为：，悬浮力绕组产生的磁场和电机定子绕组（或永磁体）产生的磁场合成一个整体，通过探索驱动电机转动的旋转力和径向悬浮力耦合情况以及解耦方法，独立控制电机的旋转和转子的稳定悬浮，实现电机的无轴承化。图1.4 无轴承电机的结构示意图无轴承电机一方面保持磁轴承支承的电机系统寿命长、无须润滑、无机械摩擦和磨损等优点外，还有望突破更高转速和大功率的限制，拓宽了高速电机的使用范围，与磁轴承支撑的高速电机相比具有下列优点：（1）径向悬浮力绕组叠加到电机的定子绕组上，不占用额外的轴向空间。一方面，电机轴向长度可以设计得较短，临界转速可以较高，电机转速仅受材料强度的限制，这样无轴承电机大大拓宽了高速电机的应用领域，特别是在体积小、转速高和寿命长的应用领域，如要求无粉尘、无润滑、小体积环境工作的计算机硬盘驱动器、微型高速机床等；另一方面，在同样长度的电机转轴情况下，输出功率将比磁轴承支承的电机有大幅度提高。（2）结构更趋简单，维修更为方便，特别是电能消耗减少。传统的磁轴承需要静态偏置电流产生电磁力来维持转子稳定悬浮，而无轴承电机不再需要。径向悬浮力的产生是基于电机定子绕组产生的磁场，径向悬浮力控制系统的功耗只有电机功耗的2%5%，这些优点特别适用于航空航天等高科技领域。基于无轴承电机高品质的性能，广阔的应用前景，对提高机械工业制造装备的水平，特别是提高航空航天器工作性能无疑具有现实和深远意义，其研究工作越来越受到国内外科技工作者的高度重视。 1.3.2 基于高速加工技术的无轴承电机研究现状1、无轴承电机的发展状况无轴承电机起源及发展在费拉里斯和特斯拉发明多相交流系统后，19世纪80年代中期，多沃罗沃尔斯基发明了三相异步电机，异步电机无需电刷和换向器，但长期高速运行，轴承维护保养仍是难题。二次世界大战后，直流磁轴承技术的发展，使得电机和传动系统无接触运行成为可能，但这种传动系统造价很高，因为铁磁性物体不可能在一个恒定磁场中稳定悬浮。主动磁轴承的发明，解决了这个难题，但用主动磁轴承支承刚性转子要在5个自由度上施加控制力，磁轴承体积大、结构复杂和造价高。20世纪后半期，为了满足核能开发和利用，需要用超高速离心分离方法生产浓缩铀，磁轴承能满足高速电机支撑要求，于是在欧洲开始了研究各种磁轴承计划。1975年，赫尔曼申请了无轴承电机专利，专利中提出了电机绕组极对数和磁轴承绕组极对数的关系为1.用赫尔曼提出的方案，在那个年代是不可能制造出无轴承电机的。随着磁性材料磁性能进一步提高，为永磁同步电机奠定了有力竞争地位。同时，随着双极管的应用，以及和柏林格尔提出的无损开关电路结合，能够制造出满足无轴承电机要求的新一代高性能超级放大器。大约在1985年，具有快速和负载能力的功率开关器件和数字信号处理器的出现，使得已经提出20多年的交流电机矢量控制技术才得以实际应用，这样解决了无轴承电机数字控制的难题。瑞士苏黎世联邦工学院的比克尔在这些科技进步的基础上，于20世纪80年代后期才首次制造出无轴承电机。无轴承电机取得实际应用，关键性突破是1998年苏黎世联邦工学院的巴莱塔研制出无轴承永磁同步薄片电机，电机结构简单，大大降低了控制系统费用，在很多领域具有很大应用价值。我国已经开始重视研究无轴承电机，1999 年国家自然科学基金资助了无轴承电机的研究工作，南京航空航天大学、江苏理工大学和沈阳工业大学得到了支持并正在开展无轴承交流电机、无轴承片状电机等的研究。还有一些单位得到了省市有关部门基金的支持，也正在研究和探索这项高新技术。目前国内已发表了多篇综述及理论仿真研究的文章，对无轴承电机的研究成果还未进行公开报道。2、无轴承电机关键技术的研究现状就无轴承交流电机研究现状来看，目前仅停留在理论和样机实验阶段，离实用化还有一定的距离，但就研究初期成果所体现出来的优越性足以确信其潜在的使用价值。无轴承电机的控制系统是其核心关键技术，决定无轴承电机能否稳定可靠工作，目前制约其实用化的重要原因是控制问题。无轴承电机控制的困难在于该系统具有复杂的非线性强耦合特性，主要表现在（1）无轴承电机的电磁转矩和径向悬浮力之间存在藕合。如果不采取有效地解耦措施，无轴承电机不可能稳定运行，因此电磁转矩和径向悬浮力之间解耦控制是无轴承电机的基本要求；（2）无轴承电机的控制系统的设计必须考虑因磁饱和和温度变化等因素所引起的电机参数的变化。设计有效而实用的电机参数变化的控制系统，这也是一个难点。国外在这些方面研究中较具有代表性的方法，一种是针对无轴承异步电机和同步电机提出了一个近似线性化的基于矢量变换的控制算法来实现电磁转矩和径向悬浮力之间的解耦控制，但这种算法构造比较复杂，需要对多个磁链矢量进行控制，实现比较困难。另一种方法分析无轴承异步电机在负载条件下径向悬浮力和电磁转矩耦合的关系，提出了对电机电流的幅值和相角进行补偿来保持旋转磁场的平稳转动和幅值恒定，实现两者之间的解耦，试验表明提出的补偿措施能实现负载条件下电机的稳定工作，并依此针对异步电机提出个间接矢量控制方法。但目前提出的各种方法从解耦角度看，仅仅实现了电机的电磁转矩和径向悬浮力控制之间的静态解耦，还未实现完全的动态解耦，要确保无轴承电机在过渡阶段的稳定运行，只有实现两者之间的动态解耦才是根本的保证。另外文献提出的控制方法没有考虑电机参数的变化来设计控制算法，因此，考虑电机参数的非线性变化、磁路饱和对电机控制性能的影响，研究满足电机动态性能要求的控制器、实现无轴承电机的电磁转矩和径向悬浮力控制之间的动态解耦，是无轴承交流电机的研究重要课题之一。1.4 无轴承电机的特点及应用 1.4.1 无轴承电机的特点无轴承电机是根据磁轴承与电机产生电磁力原理的相似性，把磁轴承中产生径向力的绕组安装在电机定子上，通过解耦控制实现对电机转矩和径向悬浮力的独立控制。无轴承电机具有磁悬浮磁轴承所有优点，需要免维修、长寿命运行，无菌、无污染以及有毒有害液体或气体的传输是无轴承电机典型应用场合。无轴承电机因为无需滑座，所以具有以下特征：（1）几乎不产生灰尘；（2）能够高速旋转；（3）能够耐极低温、真空等难以使用润滑油的环境；（4）噪声小；（5）基本上无摩擦损失。因此一直是研究的热点。 1.4.2 无轴承电机的应用目前，无轴承电机得到了如下应用：1）半导体工业在蚀刻、制板、清洗或抛光等加工过程中需用腐蚀性化学液体，产品质量很大程度上取决于化学液体质量，液体输送泵是关键的一个环节。像酸液、有机溶剂等腐蚀的化学液体，泵必须无污染可靠传输，并且泵要具有抗腐蚀和耐一定温度的要求。传统气动和薄片泵寿命短，大多数耐温最高只有100左右，运动阀和薄片仍然会产生少量的微粒，液体传输也存在着不均匀的脉动，影响了工艺处理质量。采用无轴承电机密封泵能解决传统传输中存在的缺陷，大大满足精密半导体器件生产工艺要求。目前，功率为300W的无轴承电机密封泵已经在半导体工业得到应用。2）化工领域放射性环境或高温辐射环境等恶劣条件下，用无轴承电机密封泵进行废料处理，能解决机械轴承磨损和维修的难题。在化学工业，对有效密封传输和生产系统的需求进一步提高，传统的转轴密封的密封泵，机械轴承需要润滑，据报道80%的故障是由于密封失效引起的，20%是轴承、连接及其它故障。为了安全生产，免遭环境污染，使用无轴承电机密封泵是最佳选择。目前，苏黎世联邦工学院和Sulzer泵公司合作完成了功率为30kW的无轴承密封泵样机的研制和测试工作，进入了试运行阶段。3）生命科学领域心脏是生命的永动机，一旦发生故障难以修复。利用人工心脏部分或全部替代心脏功能成为心脏病患者生命延续的福音。利用机械轴承的血泵会产生摩擦和发热，使血细胞破损，引起溶血、凝血和血栓，甚至危及病人生命。苏黎世联邦工学院和Levitronix公司研制成功的无轴承永磁电机驱动的血泵和可以移植到人体内的心脏左心室辅助装置已经在临床中应用。1.5 无轴承电机的发展前景轴承电机，一方面具有磁悬浮轴承的优点，如无接触、无需润滑及无磨损等，可以用于真空技术、无菌车间、腐蚀性介质或非常纯净介质的传输；另一方面电机转速可以做得很高、功率也可以很大，特别适用于高速或超高速数控机床、涡轮分子泵、离心泵、压缩机、飞轮储能装置及小型发电设备等工业领域，特别是无轴承电机比其他同功率的电机及支撑装置，体积小、重量轻、能耗小，对于提高航空肮天器的工作性能具有重要意义。无轴承电机作为一种新型结构的电动机，发展才经历 10 多年时间，研究水平还远未达到系统完善的地步，但是，其研究的进程是飞速的，国外已纷纷研制出无轴承感应电机、无轴承片状电机、无轴承同步磁阻电机、无轴承永磁同步电机等实验样机。无轴承感应电机已用于密封泵（ Canned Pump ）、计算机硬盘驱动装置；无轴承片状电机已用于人工心脏泵中，初步显示了无轴承电机对国民经济和人民生活质量提高等方面所起的作用，相信无轴承电机的研究成果用于机械工业、机器人及航空航天等领域会对国民经济产生巨大的影响。2 高速加工技术概述高速加工概念起源于德国切削物理学家卡尔萨洛蒙（Carl Salomon）著名的切削实验及其物理延伸，1929年他进行了高速加工模拟实验，1931年发表了高速加工理论，提出了高速加工假设。他认为一定的工作材料对应有一个临界切削速度，其切削温度最高；在常规切削范围内切削温度随着切削速度的增大而升高，当切削速度达到临界切削速度后，切削速度再增大，切削温度反而下降，人们将该曲线称为萨洛蒙曲线。这个理论给人们一个非常重要的启示：加工时如果能超过图中所示的B区，而在高速区进行切削，则有可能用现有的刀具进行高速加工，从而大大地减少加工时间，成倍地提高机床的生产率。这一理论的发现为人们提供了一种在低温低能耗条件下实现高效率切削金属的方法。2.1 高速加工的定义从高速加工技术诞生至今，人们很难为高速加工做一个明确的界定，因为高速加工并不能简单地用切削速度这一参数来定义，在不同的技术发展时期、对不同的切削条件、用不同的切削刀具、加工不同的工件材料，其合理的切削速度是不一样的。从切削机理角度看，高速加工时，切削温度应随切削速度的增大而降低；从切削技术角度看，高速加工是以高切削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的加工技术，它所采用的切削参数要比传统工艺所采用的切削参数高几倍甚至几十倍。因此，目前通常把切削速度比常规切削速度高510倍以上的切削称为高速加工，但对于不同的材料、不同的切削方式，其高速加工的切削速度并不相同，早期高速加工主要用于航空航天工业铝合金零件的加工，从20世纪80年代开始，由于高速加工机床功能部件（如高速主轴、进给系统）技术取得了一定的进展及对刀具技术的深入研究，高速加工也开始应用于一般金属零件的加工。进入90年代后，由于高速加工机床许多关键部件研究取得突破，机床性能有了很大的提高，同时设备价格开始下降，高速加工技术受到了许多制造企业的关注。对于当今广泛使用的数控机床、加工中心等投资费用较高的加工装备，只有大幅度降低切削工时才能进一步提高其生产效率，而大幅度降低工时，只有通过提高切削速度和进给速度的方式才能实现，所以发展高速加工技术具有十分重要的意义。 2.1.1 高速加工中心的类型高速加工机床有高速加工中心、高速车床、高速钻床、高速铣床、高速磨床等，其中高速加工中心最为典型。按高速机床必须具备高主轴转速和高进给速度与加速度的技术特征，通常将高速加工中心分为两类：以高转速为主要特征的高速加工中心，即HSM（High Speed Machining）型，这类机床一般只具有高转速而没有高进给速度。以高移动速度为主要特征的高速加工中心, 即HVM（High Velocity Machining）型，这类机床不仅具有高主轴转速，且具有高进给速度。 2.1.2 高速加工的特点加工效率高：由于切削速度高，进给速度一般也提高510倍，这样，单位时间材料切除率可提高36倍，因此加工效率大大提高。如高速铣削加工，当切削深度和每齿进给量保持不变时，进给速度可比常规铣削提高510倍，材料切除率可提高35倍。切削力小：传统的切削加工采用“重切削”方式，而高速加工采用“轻切削”方式，即传统的切削加工方式一般采用大切削深度、低进给速度进行加工，要求机床主轴在低转速时能提供较高的扭矩，其结果是一方面切削力大，另一方面机床和工件都承受较大的力；而高速加工则采用小切削深度、高主轴转速和高进给速度进行加工，由于切削速度高，切屑流出的速度快，减少了切屑与刀具前面的摩擦，从而使切削力大大降低。热变形小高速加工过程中，由于极高的进给速度，95%的切削热被切屑带走，工件基本保持冷态，这样零件不会由于温升而导致变形。加工精度高高速加工机床激振频率很高，已远远超出“机床-刀具-工件”工艺系统的固有频率范围，这使得零件几乎处于“无振动”状态加工；同时在高速加工速度下，积屑瘤、表面残余应力和加工硬化均受到抑制，减小表面硬化层深度及表面层微观组织的热损伤，因此用高速加工的表面几乎可与磨削相比。简化工艺流程由于高速铣削的表面质量可达磨削加工的效果，因此有些场合高速加工可作为零件的精加工工序，从而简化了工艺流程，缩短了零件加工时间。综上所述，高速加工是以高切削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的加工技术，高速加工可以缩短加工时间，提高生产效率和机床利用率；工件热变形小，加工精度高，表面质量好；适合加工薄壁、刚性较差、容易产生热变形的零件，加工工艺范围广，因此，在实际应用中，高速加工具有较好的技术经济性。2.2 高速加工的关键技术高速加工技术的开发与研究，主要集中在刀具技术、机床技术、CAM软件等几个方面。 2.2.1 刀具技术高速加工刀具必须与工件材料的化学亲和力小，具有优良的机械性能、化学稳定性和热稳定性，良好的抗冲击和热疲劳特性。高速加工通常采用具有良好热稳定性的硬质合金涂层刀具、立方氮化硼（CBN）、陶瓷刀具和聚晶金刚石刀具。硬质合金涂层刀具由于刀具基体具有较高的韧性和抗弯强度，涂层材料高温耐磨性好，因此适用于高进给速度和高切削速度的场合；陶瓷刀具与金属的化学亲和力小，高温硬度优于硬质合金，所以它适用于切削速度和进给速度更高的场合；立方氮化硼刀具具有高硬度、良好的耐磨性和高温化学稳定性，适合于加工淬火钢、冷硬铸铁、镍基合金等材料；聚晶金刚石刀具的磨擦系数低、耐磨性极强，导热性好，特别适合于加工难加工材料和粘结性强的有色金属。刀具夹紧技术是快速安全生产的重要保障。由于传统的长锥刀柄不适合用于高速加工，所以在高速加工中，采用刀柄锥部和端面同时与主轴内锥孔和端面接触的双定位刀柄，如德国的HSK空心刀柄。这种刀柄不需要拉钉，主轴锁紧装置充分考虑离心力的影响，夹持力一般随主轴转速的提高而自动增大。 2.2.2 机床技术性能良好的数控机床是实现高速加工的关键因素。从原理上说，高速加工机床与普通数控机床并没有本质区别。但高速机床为了适应高速加工时主轴转速高、进给速度快、机床运动部件加速度高等要求，在主轴单元、进给系统、CNC系统和机械系统等方面比普通数控机床具有更高的要求。(1) 高速主轴高速主轴是高速加工机床的核心部件。当主轴转速不断提高时，传统的齿轮皮带变速主传动系统由于本身的振动、噪声等原因已不能适应高速加工的要求，随着电气传动技术的迅速发展和在高速加工机床中的应用，高速加工机床的主传动结构已发生了很大的变化：由内装式电动机直接驱动代替皮带齿轮传动，从而将设备振动、噪声和主轴传动系统的转动惯量降低到最小，提高了主轴系统的刚度和固有频率，也将机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。我们通常将这种机床主轴与主轴电动机结合在一起、实现变频电动机与机床主轴一体化的传动结构形式称为电主轴。在电主轴结构中，机床主轴箱为电动机的定子，主轴为电动机的转子。电主轴采用电子传感器来控制温度，自带水冷或油冷循环系统，使主轴在高速旋转时保持恒温；同时使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术，使主轴免维护、寿命长、转速高。 (2) 进给系统传统的“伺服电动机+滚珠丝杠副”的进给系统已不能满足高速加工机床高速度和高加速度的要求，目前高速加工机床广泛使用直线电动机进给驱动系统。直线电动机进给系统是由一系列安装于机床底座的磁铁（定子）和环绕在滑架上叠钢片铁芯线圈（动子）组成，利用动子脉冲电流产生的磁场和定子永磁场相互作用而产生电磁推力，带动负载动作。高速直线电动机无旋转运动，不受离心力作用，容易实现高速直线运动；同时，由于高速直线电动机克服了滚珠丝杠副反向间隙、惯性和刚度不足的缺点，实现了无接触的直接驱动，因此具有速度和加速度高、定位精度高、行程不受限制、响应速度快等优点。但由于直线电动机进给系统不能充分解决推力和重载荷问题，因此目前仍有一些高速加工机床采用传统的滚珠丝杠副传动系统。(3) 高速CNC系统高速加工与传统数控加工虽然没有本质的区别，但由于高速切削机床的主轴转速和进给速度的大幅度提高，因此要求CNC系统运算速度快，数据处理能力强，控制精度和响应速度高；进给伺服机构能实现从低速到高速很宽范围内的任意调节，并能克服进给伺服速度高则系统跟随误差大的矛盾，这需要CNC系统具有很短的伺服周期和很高的分辨率，同时具备待加工轨迹监控和曲线插补功能。伺服周期短是指CNC系统对工作台实际位置进行一次反馈并发出一次进给指令所使用的时间更短；高分辨率是指CNC系统具有更快的程序数据处理能力，以保证在高速切削时，特别是45轴坐标联动加工复杂曲面轮廓时仍具有良好的数据处理能力。为此，许多高速加工机床的CNC控制系统采用多个32位甚至64位CPU，主频可达100200MHz，有的甚至高达500MHz，并带有数据库，兼有CAM功能，具有MAP3.0通讯功能；采用C语言编程，具有工具监控功能；同时配置功能强大的后置处理软件（如几何补偿软件），具有加速预插补、前馈控制、精确矢量补偿和最佳拐角减速度控制等功能。 2.2.3 CAM软件高速加工必须具有全程自动防过切和刀具干涉检查能力，待加工轨迹监控、速度预控制、多轴变换与坐标变换实现刀具补偿、误差补偿等功能。现在高速加工计算机数控一般采用NURBS样条插补，这样可以克服直线插补时控制精度和速度的不足，提高进给速度和切削效率，而且提高复杂轮廓表面的加工精度和人员设备的安全性。实践证明，在同样精度的情况下，一条样条曲线程序段能代替510条直线程序段。目前大多数CAM软件并没有考虑高速加工问题。除了上述三种技术之外，零件毛坯制造技术、生产工艺数据库、测量技术、自动生产线技术等对高速加工能否发挥其应有作用也有着重要的影响。3 高速加工技术中磁浮轴承主轴单元设计3.1 引言目前，超高速数控精密磨削技术在国外发展十分迅速，在国内也引起了高度重视。超高速数控精密磨削技术作为21世纪的先进制造技术，在国防和民用方面，都起着越来越重要的作用。例如，湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心研制了一台砂轮周速达314m/s的超高速数控精密平面磨床，其主轴系统为从瑞士IBAG公司引进的陶瓷轴承电主轴，其价格昂贵，而且陶瓷轴承使用寿命不长，需要经常更换。必须指出，在超高速数控精密磨床中，主轴轴承技术是一项关键技术。在国外，磁浮轴承作为一种新型机电一体化的高新技术产品，受到高度重视。发达国家如法国、日本、德国都成功在其超高速数控精密磨床上使用了这种轴承。但发达国家对该项技术保密，而且该产品的价格十分昂贵。3.1.1 磁浮轴承的工作原理与特点磁浮轴承工作原理如图3.1所示，由转子和定子部分组成。转子由铁磁材料(如硅钢片)制成，压入回转轴承回转筒中，定子也由相同材料制成。定子线圈产生磁场，将转子悬浮起来，通过4个位置传感器不断检测转子的位置。如转子位置不在中心位置，位置传感器测得其偏差信号，并将信号输送给控制装置，控制装置调整4个定子线圈的励磁功率，使转子精确地回到要求的中心位置。图3.1 磁浮轴承的工作原理磁浮轴承是利用电磁力将主轴无机械接触、无润滑地悬浮起来的一种新型智能化轴承。磁浮轴承主轴单元的转子和定子之间的单边间隙为0.3mm1.0mm ，未开动以前，主轴由左右两端的“辅助轴承”支承，其间隙小于磁浮轴承的间隙，用以防止磁浮轴承在电磁系统失灵时发生故障。工作时，转子的位置用高灵敏度的传感器不断进行检测，其信号传给PID (比例积分微分)控制器，以每秒10000次左右的运算速度，对数据进行分析和处理，算出用于校正转子位置所需的电流值，经功率放大后，输入定子电磁铁，改变电磁力，从而始终保持转子(主轴)的正确位置。由于无机械接触，磁浮轴承不存在机械摩擦与磨损，寿命很长。转子线速度可高达200m/s(极限速度只受硅钢片离心力强度的限制)，无需润滑和密封，结构大大简化。能耗很小(仅为滚动轴承的1/50) ，无振动、无噪音、温升小、热变形小。可在真空或有腐蚀介质的环境中工作，工作可靠，几乎不用维修。所以其性能要优于陶瓷滚动轴承。由于磁浮轴承是用电磁力进行反馈控制的智能型轴承，转子位置能够自律，主轴刚度和阻尼可调。因此当由于负载变化使主轴轴线偏移时，磁浮轴承能迅速克服偏移而回到正确位置，实现实时诊断和在线监控，使主轴始终绕惯性轴回转，消除了振动，并可使主轴平稳地越过各阶临界转速，实现超高速运转，回转精度高达0.2m。3.1.2 磁浮轴承设计要求磁轴承按照磁力的提供方式可分为主动磁轴承、被动磁轴承和混合磁轴承，其中混合磁轴承一般采用永磁材料替代主动磁轴承中的电磁铁来产生偏置磁场，可以降低功率放大器的功耗，缩小磁轴承的体积，因此研究永磁偏置磁轴承是磁轴承研究领域的一个重要研究方向。目前国际上典型的五自由度磁轴承系统一般采用两个径向磁轴承和一个轴向磁轴承来分别控制径向、轴向的运动，实现转子五自由度的稳定悬浮，其结构简图如图3.2（A），这三个磁轴承在轴向占据了相当大的空间，限制了高速电机转速的进一步的提高，因此研究结构紧凑、体积小、功耗低的磁轴承及磁轴承集成技术是磁轴承的研究领域的一个重要研究方向。（A）传统磁轴承系统（B）新型五自由度磁轴承图3.2 两种磁轴承系统的比较本文研究无轴承电机的一种新颖的永磁偏置径向轴向磁轴承，该磁轴承将轴向和径向磁轴承的功能集于一体，这样一来，五自由度磁轴承系统中的磁轴承从三个减为两个，去掉了一个独立的轴向磁轴承，使整个系统得以简化，减小了系统体积和轴向长度，从而可以提高转子的临界转速、同时降低了磁轴承的功耗，采用永磁偏置径向轴向磁轴承和无轴承电机的新型五自由度磁轴承系统如图3.2（B）。从图中可见新的设计大大缩短了转子轴向长度，使得整个系统的结构大大简化。更为重要的是，这种新型结构的径向轴向磁轴承还具有固有的径向、轴向磁场解耦功能，在此基础之上就可以应用独立控制方法来实现磁轴承系统各自由度的悬浮控制，再通过系统集成实现整个转子的整体悬浮。3.2 主轴单元轴承的组成一个完整的电磁主轴单元轴承系统主要由机械系统、偏磁回路、控制回路三个部分组成，各部分可有多种不同的结构，应根据应用情况和精度要求等设计。 3.2.1 机械系统磁轴承的机械系统是由磁轴承系统的轴承主体（即控制对象）主要包括定子组件、转子组件、保护轴承及其他辅助零部件组成。其结构形式主要取决于定子组件的电磁铁和永磁体的形式。主要有：轴向电磁轴承、径向电磁轴承、径向推力电磁轴承。这里采用混合径向轴向电磁轴承于一体的永磁偏置径向轴向磁轴承。采用如此结构的优点在于：（1）两个磁轴承合为一个，结构更紧凑，轴向利用率和轴承刚度显著提高，可突破大功率和超高转速限制，并可实现微型化：（2）磁轴承轴向长度大幅度缩短，磁轴承和无轴承电机之间的耦合程度也大为降低，便于实现五自由度悬浮；（3）用于控制悬浮的功率电路大为减少，简化了控制系统；（4）混合磁轴承独特的磁路结构使其具有轴向径向自我解耦的功能，其控制方法与传统磁轴承电机类似。 3.2.2 磁轴承的偏磁回路在永磁偏置的电磁轴承中，偏置磁场是由永磁体提供的，而电磁铁提供控制磁场，产生控制磁场的电流可由恒流源提供。如此的偏置回路可以减低功率放大器的功耗及减少电磁铁的安匝数，缩小电磁轴承的体积，提高承载能力。 3.2.3 控制回路系统控制回路是电磁轴承系统的一个重要环节，其性能与系统的稳定性及各项技术指标都有密切关系。它由控制器、功率放大器和位移传感器等组成。1、控制器控制器的电路部分可以是模拟的，也可以是数字的。采用模拟电路的好处是响应快、性能好且稳定、成本较低；而采用数字电路的优势在于易于实现复杂的控制规律、易于修改，但存在时间延迟较大的缺点。目前，广泛采用的控制器是经典PID（比例积分微分）电路，也可以采用精确的数字控制。设计的主要内容是确定其电路参数的选择范围，以保证控制的稳定性。2、功率放大器功率放大器是电磁轴承系统的一个重要环节，它与采用的控制直接有关，同时也影响调节参数的选取范围。功率放大器的输入为控制电压，输出可以是电压或电流。在电磁轴承系统中功率放大器的作用是向电磁铁提供产生电磁力所需的电流。常见的功率放大器有两种形式：即电压电压型功率放大器和电压电流功率放大器。从传递函数来看，前者的传递函数是一个无量纲量，而后者具有量纲。从输出量的性质来看，前者的输出为电压而后者为电流。在电磁轴承系统中，若采用电压电压型功率放大器，我们称之为电压控制策略；若采用电压电流功率放大器，则称之为电流控制策略。虽然，目前常见的功率放大器多为电压电压功率放大器，但在电磁轴承系统中采用的往往是电压电流功率放大器。功率放大器的输出与电磁铁线圈相联后，直接控制的是线圈上的电流。3、传感器传感器是电磁轴承系统的核心部件之一，它的性能对系统的控制精度起决定作用。其反馈信号可以是多种多样的，位移、速度、电流、电磁力、磁通量等都可以作为反馈控制信号。目前，多采用位移传感器，轴向推力电磁轴承也可以采用速度传感器。由于电磁铁线圈电感的影响使电流产生滞后，势必影响到系统的各项性能指标，因而，选择的传感器应能消除上述因素的影响。具体地说，电磁轴承系统对位移传感器的第一个要求是非接触式的，进一步说，这种传感器必须能够测量旋转表面，所以转子的几何形状、表面质量等都将影响测量结果。从理论上看，利用电容、电感、霍尔效应、磁阻抗等均可实现此目的。电磁轴承对传感器的要求还有：能真实反映出转子中心的位移变化；具有很高的灵敏度、信噪比、线性度、温度稳定性、抗干扰能力及精度的重复性，同时还要求有一定的频率范围。3.3 永磁偏置轴承的结构及工作原理永磁偏置的电磁轴承结构原理见图3.3所示。转子在永久磁铁产生的静磁场吸力作用下处于悬浮的平衡位置(中间位置) , 这个位置也称为参考位置。由于结构的对称性, 永久磁铁产生的永磁磁通在转子上方气隙1-1 处和转子下方气隙2-2 处是相等的。此时若不计重力则两气隙处对转子的吸力相等, 即。假设在参考位置上转子受到一个向下的外扰, 转子就会偏离其参考位置向下运动, 由于转子上下气隙的间隙变化, 使得其磁通变化。即: 上间隙增大, 磁通减少; 下间隙减小, 磁通增加。由于,故由磁场吸力与磁通的关系可得转子受到的吸力变为F1F2。此时传感器检测出转子偏离其参考位置的位移, 控制器将这一位移信号变换成控制信号, 功率放大器又将该控制信号变换成控制电流i, 该电流流经电磁铁线圈绕组使铁芯内产生一电磁磁通,该磁通在转子上方气隙1-1 处与永磁磁通叠加时, 由于永磁磁通与电磁磁通流向相同, 故使气隙1-1 处的总磁通增加, 由原来的变为+；磁通在转子下方气隙2-2 处与永磁磁通叠加时, 由于永磁磁通与电磁通流向相反, 故使气隙2-2 处的总磁通减少, 由原来的变为。当 /2时, 两气隙处产生的吸力又变为F1F2使得转子重新返回到原来的平衡位置。同理, 转子受其它方向干扰也始终能处于稳定的平衡状态。图3.3 永磁电磁轴承的工作原理图 1.轴向定子；2.轴向控制线圈；3.轴向磁轴承气隙；4.径向磁轴承气隙5.转子叠片；6.径向控制线圈；7.径向磁轴承定子；8.环型永久磁体图3.4 永磁偏置径向轴向磁轴承结构示意图 3.3.1 永磁偏置轴承的基本结构永磁偏置径向-轴向磁轴承基本结构见图3.4，由轴向定子、轴向控制线圈、径向定子、径向控制线圈、环型永久磁铁等构成。工作时轴向两个线圈、径向分别对置的两个线圈串联作为相关自由度的控制线圈。定子铁芯采用硅钢片叠压而成，永久磁铁采用稀土材料钕铁硼制成。当径向-轴向都稳定悬浮时，转子在永久磁铁产生的静磁场吸力下处于悬浮的中间位置，径向和轴向单边的气隙都为0.5mm。由于结构的对称性，永久磁铁产生的磁通密度在转子上下、左右和前后的气隙处是相等的。这类磁轴承利用一个径向充磁的环型永磁体来产生轴向和径向气隙的偏置磁场，采用单极性结构使偏置磁场在径向和轴向气隙流出（入）转子，消除了转子旋转时径向和轴向气隙中的磁极性变化，减小了转子在高速旋转时的磁滞损耗。利用永磁体代替电磁铁提供偏置磁通后具有如下优点：线圈电流只需提供控制磁通，从而使电磁铁安匝数显著减小、磁轴承的铜耗大大降低；在气隙长度范围内，磁悬浮力的刚度系数更接近于常数；每个自由度只需一个功率放大器，使系统可靠性增强、成本降低。该磁轴承的整体设计紧凑，其功能单元（线圈、磁极铁心、永磁环体）几乎占据了磁轴承大部分体积，空间利用率非常高。在控制线圈没有通电的情况下，转子处于平衡位置时，环型永磁体在轴向气隙处产生的偏置磁通相等，同时在四个径向气隙处也产生相等的偏置磁通，这样使转子受到的轴向和径向的磁阻力合力为零。当转子偏离平衡位置时，永磁偏置磁场对转子产生的磁阻力并不能使转子回到平衡位置，因此需要一个主动的闭环伺服控制系统去控制轴向控制线圈和径向控制线圈的电流，产生控制磁通和偏置磁通叠加，使其在转子的一个方向的磁通增强，在另一个方向的磁通减少，因此在上、下（Y）方向上产生的力的大小不一样，转子在上、下磁阻力的作用下回到平衡位置。 3.3.2 永磁偏置轴承的工作原理图3.5 是轴向磁轴承的磁路图，图中是永久磁铁产生的静态偏置磁通，是轴向控制线圈中电流产生的控制磁通，气隙磁通由这两部分磁通合成。图3-6 是径向磁轴承的磁路图，图中标明了x 方向磁通的路径，是永久磁铁产生的静态偏置磁通，是X 方向的控制磁通，用同样的方法可以标明y 方向磁通的路径。径向和轴向混合磁轴承在3 个自由度上的工作原理是一样的。参考图3.4，当轴向稳定悬浮时，磁轴承转子在永久磁铁产生的静磁场吸力下处于悬浮的中间位置，也称这个位置为参考位置。由于结构的对称性，永久磁铁产生的磁通在转子右面的气隙处和转子左面的气隙处是相等的，此时左右吸力相等。如果在此平衡位置时转子受到一个向右的外扰力，转子就会偏离参考位置向右运动，造成永久磁铁产生的左右气隙的磁通变化（假设径向在平衡位置），即左面的气隙增大，使永磁体产生的磁通减少，右面的气隙减少，使永磁体产生的磁通增加。图3.5 轴向磁轴承的磁路图图3.6 径向磁轴承的磁路图根据磁场吸力与磁通的关系可得： (3-1) (3-2)式中、分别为吸力盘左、右面受到的电磁吸力；、分别为左右气隙处产生的合成磁通；为轴向磁极的面积；为空气的磁导率。在未产生控制磁通之前，由于，故。由于外扰力使转子向右运动，此时传感器检测出转子偏离其参考位置的位移量，控制器将这一位移信号转变成控制信号，功率放大器又将此控制信号变换成控制电流i，这个电流流经电磁铁线圈绕组使铁芯内产生一电磁磁通，在转子左面的处由励磁磁通和永磁磁通的流向相同，与永磁磁通叠加，使气隙处总的磁通增加，即=+；励磁磁通在右面气隙处，由于与永磁磁通的流向相反，故在气隙处的总磁通减少为=-。根据吸力公式(3-1)和(3-2)，要满足Fz2Fz1，使转子回到参考位置的条件为： (3-3)如果转子受到一个向左的外扰力，可以用类似的方法进行分析，得到相反的结论。因此，不论转子受到向右或向左的外扰动, 带位置负反馈的永磁偏置轴向磁轴承系统，其转子通过控制器控制励磁绕组中的电流，调节左右气隙磁通的大小, 始终能保持转子在平衡位置。3.4 永磁偏置轴承的设计为方便起见，先对后面用到的符号作如下的规定：S单个磁极的截面积（）；D定子的内径（m）；d转子的外径（m）；半径气隙，=（D-d）/2；x转子位移；b磁轴承的轴向长度（m）；气隙处的磁感应强度（T）；饱和磁感应强度（T）；I绕组的励磁控制电流（A）；N单个磁极励磁线圈的匝数。 3.4.1 磁路计算的基本定律和公式罗列设磁路是一均匀截面为S，长度为L，铁磁材料的磁导率为的回路，则有（3-4）式中，真空磁导率（3-5）(安培定律) （3-6）磁路欧姆定律（3-7）式中F为磁动力，为磁阻，磁路克稀荷夫定律（克氏定律）：（3-8）当有气隙时： , 气隙磁场强度。上式中g为气隙长度，为气隙磁场强度。麦克斯韦方程：（3-9） 3.4.2 永磁偏置轴承的等效磁路分析永磁偏置径向轴向磁轴承是由永磁铁提供偏置磁场，由控制线圈来提供径向、轴向控制磁场的新型磁轴承，其磁路是由永久磁铁、电励磁磁铁、软磁材料和空气隙组成。永久磁铁是提供偏置磁场的磁势源（或磁通源），它直接影响到磁轴承的各静、动态特性。出于永久磁铁本身磁特性之间的关系比较复杂，因此永磁偏置磁轴承的磁路分析比较复杂。为了简化磁路计算，首先对永磁偏置径向-轴向磁轴承磁路结构作如下假设：采用径向充磁的永磁环体提供轴向和径向偏置磁通，只考虑永磁体两端面漏磁，即将整个磁路系统看作由一个漏磁磁阻与有效磁路系统的并联系统；整个有效磁路系统只考虑工作气隙的磁阻，不考虑铁芯磁阻和转子磁阻；忽略磁性材料的磁滞和涡流，不计边缘效应。这样得到径向-轴向磁轴承等效磁路图如图3.7 所示。图3.7 径向-轴向磁轴承等效磁路图图3-7 中, 是永磁体对外提供的磁动势，是永磁体发出的总磁通，是总的漏磁通，漏磁导是Gs，两个轴向气隙的磁导分别是Gz1 和Gz2，Nz是轴向控制线圈的匝数，流过电流iz，径向4 个气隙磁导分别是Gx1、Gx2、Gy1、Gy2；Nxy是径向控制线圈匝数，流过电流ix 和iy。设是转子处于平衡位置时轴向气隙长度，是径向气隙长度，本文中取 =，x，y 是转子的径向偏移量，z 是转子的轴向偏移量，是空气的磁导率，是轴向磁极截面积，是径向各磁极截面积，则得到各气隙处磁导：（3-10）如果转子处于平衡位置，此时3 个自由度的偏移量为0，即：x = y = z = 0, 则从式(3-10)可以得到：（3-11）根据磁路的克希荷夫定律：和，列出磁路的磁动势、磁通的平衡方程式，求解出各支路中的磁通如下：（3-12）式中；。 3.4.3 径向轴向磁轴承的吸力方程现假设在3 个方向上分别受到3 个沿着坐标轴正方向的外扰力，使得在3 个方向上的偏移量分别为x, y 和z, 此时在沿3 个坐标轴负方向的合力为：（3-13）由式（3-13）可知，3个自由度的悬浮力就是偏差位置（x,y,z）和电流（）的非线性函数。将式（3-13）进行线性化处理得：（3-14）式中，称为轴向位移刚度，为轴向电流刚度。称为径向位移刚度，称为径向电流刚度。式（4-14）就是永磁偏置径向轴向磁轴承的悬浮力模型，作为后章设计控制器的基础。 3.4.4 径向轴向磁轴承的承载能力在平衡位置附近要使承载力最大，表达式(3-10)中分子要为最大值，使各气隙磁通相叠加的一边磁感应强度达到最大值，减少的一边达到最小值0，此时混合磁轴承的承载能力最大。通常取软磁材料的饱和磁感应强度，这样得：（3-15）联解式（3-11）、（3-12）和（3-15）得：（3-16）根据式（3-13）、（3-15）和（3-16）得到混合磁轴承3个自由度上的最大承载力为：（3-17） 3.4.5 径向轴向混合磁轴承参数设计1、气隙处磁感应强度的设计当转子处在空载平衡位置时，转子各气隙处的磁感应强度相等，等于永久磁铁提供的偏置磁感应强度。由径向-轴向混合磁轴承永磁磁路的基本方程可得：（3-18）比较式(3-16)在承载力最大时的表达式，得到：（3-19）一般硅铁材料的饱和磁感应强度=1.5T，因此设计时常取=0.60.8T。2、磁极面积的计算及气隙长度的选取根据式(3-16)和式(3-17)，选定径向或轴向的最大承载力，可以求得磁极的面积：或（3-20）根据最大承载力条件（3-15），可以得到电磁铁所需的安匝数：（3-21）从上式可以知道，当气隙增大时，产生同样大小的气隙磁感应强度，电磁铁所需的安匝数就增大，这样需要增大绕线的空间，其优点是机械加工精度相对来说要求不高，但磁轴承的体积和重量会增加；如果减少，虽然安匝数减少，但要求更高的加工精度。另外，依据式(3-18)，产生同样大小的偏置磁场，所需永磁体的磁动势与气隙成正比。因此，在工程上，一般取=0.151.00mm，转子的直径小时相对取小值。本文系统取0.5mm。电磁轴承启浮时，单边气隙大于理想工作气隙，若设磁轴承的转子与辅助轴承的半径间隙为，则启浮时有下面关系成立：又由公式以及可得：（3-22）上式即为求取启浮安匝数的计算式。3、永磁材料参数设计永磁体对外提供的磁动势与所选的永久磁铁去磁曲线有关。为了设计结构紧凑，重量轻的磁轴承，通常选取高饱和磁感应强度的永久磁铁。当所选的材料为铁氧体或稀土钴时，则去磁曲线接近于直线满足：（3-23）式中为永久磁铁的剩余磁通；为永久磁铁外部磁路磁通；为永久磁铁的矫顽磁势；又根据混合磁轴承的永磁磁路的基本方程：（3-24）在知道软磁材料的饱和磁感应强度后，再依据式(4-20)计算出的，根据式(3-24)可以算出永磁体的外部磁路磁通，再由式(4-21)计算出值。最后由式(3-22)计算出永磁体的矫顽磁势和永久磁铁的剩余磁通。知道和后再由下面两式可以确定永磁体的几何尺寸。（3-24）式中为磁阻系数的取值范围为1.11.5为漏磁系数取值范围为210；为永磁体的剩余磁感应强度；为永磁体的矫顽力；为永磁体的长度；为永磁体的磁路断面积。4、电磁铁的设计从本质上来看,电磁铁是一种把电能转换成机械能的电磁元件,在高频电主轴系统中,电磁铁主要提供悬浮转子所需的电磁力.设计电磁铁就是在规定的技术条件基础上,确定电磁铁有关的结构参数,其中包括铁心的几何尺寸、线圈的尺寸、匝数和线径等。保证电磁铁能够稳定可靠的工作。按照励磁电流的特点，可分为交流和直流电磁铁。当电磁铁中通以正弦交流电时，磁路中的磁通和磁感应强度也是时间的正弦函数。交变磁场会在铁芯中产生损耗，使铁芯发热，因此，交流电磁铁的铁芯是用硅钢片叠成的。一般来说，直流电磁铁的励磁电流大小和方向不随时间改变。由于没有铁芯损耗，所以，它的铁芯可以用整块的铸钢、软钢制成。直流电磁铁的励磁线圈在外加电压一定时，若不考虑过渡过程，稳态的线圈电流的大小不变，因而磁势也不会发生变化。当转子处于不同位置时，由于间隙变小，磁阻增大，电磁吸力也增大。基于上述特点和考虑电路设计的难易程度，最终选择的是直流电磁铁。同时，值得说明的是，本章所做的的各种分析都是在假定选择了直流电磁铁这一前提下进行的。（1）下式确定 (3-25)其中j为电流密度，根据电机的设计经验取（2）弧长及叠片厚度的计算为了简便起见，采用等分的方法，每个磁极所占的角度取为，则每个磁极的弧长为，而叠片厚度（即磁轴承的轴向长度）为磁极面积与弧长之比，计算如下： (3-26) (3-27)（3）面积的计算窗口面积的计算可由下式求得 (3-28)式中为填充系数，一般为0.8。5、线圈的电阻和消耗的功率线圈的电阻R可通过公式比较精确的计算出来 (3-29)式中为导线的总长度；为导线的截面积；为温度系数；。线圈消耗的功率 (3-30)6、辅助轴承的确定辅助轴承是在断电或电路发生故障时，起保护作用，工作时它不与主轴接触，一般采用径向深沟球轴承，在正常运转时，辅助轴承是不动的，它与转子之间的工作间隙必须小于转子与定子的气隙。一般取。3.5 悬磁轴承的参数设计与校核对所设计的混合电磁轴承的要求如下：轴向最大承载能力：F=600N；转子直径（外径）：d=40mm在制造时，径向磁轴承的定子可以做成像感应电动机的定子那样，具有许多齿槽的形式。为了增加电磁铁的输出力，采用如图3.8 所示的铁芯，在齿槽处卷满线圈图3.8 径向磁轴承结构示意图由于设计的磁轴承为4对磁极，且均匀分布，所以有，此外取，取。 3.5.1 选取永磁材料在设计永磁电磁轴承时，永磁材料内部磁动势参数与所选的永久磁铁去磁曲线有关。为了设计结构紧凑、重量轻的磁轴承，通常选取高饱和磁感应强度的永久磁铁。本课题设计磁轴承所选用的永磁体材料是钕铁硼，此材料的去磁曲线呈直线，因此是比较理想的磁性材料，其饱和磁感应强度。 3.5.2 确定工作气隙磁感应强度平衡位置处，上、下气隙的磁感应强度相等，由式（3-19）可知： 3.5.3 磁极面积的计算由式（3-20）得： 3.5.4 求定子内径 3.5.5 求磁极弧长及叠片厚度由式（4-26）得：取由式（4-27）得：取由此可得磁悬浮轴承定子由43片厚为0.35的硅钢片叠成。 3.5.6 安匝数的计算由式（3-21）得：考虑到电流允许瞬时过载，取安匝数安匝 3.5.7 匝数与电流的分配取，则线圈匝数为（匝） 3.5.8 线径由式（3-25）得取标称直径0.63。 3.5.9 窗口面积的求取 3.5.10 永久磁铁参数计算由式（3-24）得：由式（3-18）得：由式（3-23）得：最后，由式（3-24）求得永久磁铁的几何尺寸，算后取永久磁铁内径68，径向厚度3.1。根据以上参数的设计可得到永磁径向轴向磁轴承的具体结构。（见零件图）414 无轴承电机结构的设计4.1 设计的总体概况本课题主要研究的基于高速加工技术的无轴承电机在普通外圆磨床上的应用，其结构和普通电机结构有较大的相似之处，只是在普通电机中加入一个本文侧重研究的永磁偏置径向轴向磁轴承而已。接合具体的情况，在实际设计过程中许多尺寸的确定是借鉴和参考电机设计而得出，在设计过程中要注意综合考虑以下一些情况：（1）磁轴承的定、转子一般是由硅钢片叠加成的，每片硅钢片的厚度取决于磁轴承的几何尺寸，磁轴承的尺寸越小硅钢片越薄。转子直径d只受惯性离心力作用下材料强度的限制。而在材料力学中，材料的强度和转速之间的关系可表示为：，其中表示材料的密度，硅钢片的密度为，表示材料的强度，查阅资料可知，硅钢片的强度为，从而可以确定转子的最大直径。（2）在永磁偏置径向轴向磁轴承中的永磁体是一个磁环。为了满足机械加工要求，考虑到永磁体的外形、结构以及材料特性，在设计其尺寸时，需要限制其径向厚度不能小于0.002m。（3）由于转子硅钢片是通过机械加工后，然后通过紧配合装配固定在转轴上的，因此，在高速旋转的情况下，转子轴肩处的剪切应力是最集中的地方，必须考虑转子轴肩处材料的剪切强度是否能够达到要求，因此要限制转轴的最小直径。（4）为了尽量减小漏磁，所以在永磁体与定子叠片的接触面上，永磁体的贴合面要小于等于定子叠片的外圆柱面，以紧贴合于定子叠片外径。（5）在设计过程中，要注意控制线圈在外壳中的体积约束。径向控制线圈的截面积要小于定子槽面积。轴向控制线圈的截面积要综合径向控制线圈截面积和外壳的内腔面积来综合考虑，要使径向线圈和轴向线圈相互间不接触，也要考虑到径向、轴向磁路的走向尽可能的减少重叠，还要考虑到外壳的轴向长度尽可能的短，以减少整个磁轴承部分的长度、体积。4.2 无轴承电机的结构设计无轴承电机的结构设计与普通轴承电机的设计既有相同，又有不同之处。普通轴承电机的设计包括转轴的结构布置，轴径估算，跨距和悬伸量的确定，静态和动态特性计算，外壳的结构和尺寸的确定，润滑油路及冷却通道的设计等。在设计无轴承电机的结构时，除了润滑油路，其他的都要考虑，另外还要单独设计普通电机所没有的永磁偏置径向轴向磁轴承的具体结构，如永磁铁和电磁铁的结构和线圈参数的设计。设计出来的永磁偏置径向轴向磁轴承与电机相配合即为无轴承电机的总体结构。其总体结构如图4.1所示。 4.2.1 转子结构设计1、转子直径d和磁场宽度b的确定本课题转子直径d的范围由设计要求给出，在结构允许的前提下，为提高其承载能力、改善其动态特性，尽可能增加转子直径，所以我们取给出范围的上限，即d=40mm。磁场宽度是指磁轴承电磁铁的轴向尺寸，为减小电机的轴向尺寸，磁场宽度取小值，大约为轴承转子的2/3。2、悬伸量和跨距的确定一般主轴设计时，其刚度主要由主轴本身的刚度和轴承的刚度两方面决定，悬伸量与跨距有一个最佳比值。然而，由于磁轴承主轴部件的设计对其控制系统有影响，因此在主轴设计时，不仅要考虑的最佳值，而且要考虑给控制系统带来的影响。本次设计的磁悬浮电动机为卧式结构，主轴直径小，根据经验，取主轴全长为。3、磁轴承转子的轴向尺寸的确定径向磁轴承限制了转轴的四个自由度及提供径向的支撑刚度，但由于径向磁轴承对转轴有自动定位的作用，使得转轴在轴向也受到一定的对中力。为避免这一对中力与轴向磁轴承对转轴的对中控制发生耦合，设计时可以考虑使磁轴承转子轴向尺寸略大于其定子的轴向尺寸。 4.2.2 转子上零件的布置传感器对永磁偏置磁轴承控制系统的性能有很大的影响，在系统中，主轴的回转精度和轴向位置精度由传感器本身精度、位置及基准环的精度决定的。因此对传感器的布置应特别注意。一般来说，径向传感器安装在径向磁轴承的旁边，但应注意，基准环不应选在转轴主振动节点处。从理论上讲，轴向传感器安装时，其基准环可以安装在转轴的任何位置，但实际上受到转轴结构的限制。为便于安装、测量，可安装在转轴的后端。4.3 无轴承电机的总体结构设计无轴承电机的基本组成如图4.1所示，它主要由永磁铁、电磁轴承转子及其定子、电机转子及其定子、转轴、传感器及其支架、辅助轴承、端盖、缸筒等组成。图4.1 无轴承电机的总体结构示意图该电机在结构上的主要特点有：（1）电机轴向以电机定子为定位基准，以轴肩、轴套、电磁轴承本身定位，径向直接以内缸筒内经定位，定位简单方便。（2）设计电机的零部件形状简单，无须设计专用夹具，故加工方便，节约经费。（3）多采用标准件，不但节省设计时间，而且缩短生产流程，提高生产效率。（4）除电机转子及磁轴承转子与转轴的配合采用过渡配合外，其余不是间隙配合就是无须配合，故而大多零件无须进行精加工，大大减少加工工序。（5）转子与定子均采用叠片结构，材料为软磁材料，从而涡流损耗小。（6）轴向、径向线圈处于同一结构内，可以进行自我解耦。（7）由于所设计的磁轴承系统采用装入式电机，即将电机的转子与轴承的转子固定在一个主轴上，所以，减免了驱动环节。（8）为防止突然断电或磁轴承失控时，转子和电机及磁轴承的定子相碰，损坏转子，设计了一对深沟球轴承作为保护装置。（9）多采用螺栓、螺钉和紧定套环固定，易于装卸。（10）通过在一个方向上布置四个传感器，并接成差动结构，从而进一步提高了测量精度。4.4 悬浮轴承的结构选择与设计 4.4.1 磁悬浮轴承总体结构设计磁悬浮轴承种类很多，按受控自由度可分为一轴、二轴直至五轴；按利用的磁场力的类型可分为吸力型及斥力型。但在目前，磁轴承一般分为主动磁轴承（Active Magnetic Bearing，简称AMB）、被动磁轴承（Passive Magnetic Bearing，简称PMB）和混合磁轴承（Hybrid Magnetic Bearing，简称HMB）三类。由于第三类磁轴承本身的研究在国内、外倍受重视。而且这种新型磁轴承和以往的磁轴承相比，在结构上能够大大地减小尺寸、体积，在系统上可以减少系统的重量、功耗，同时这种磁轴承还具有自身能够实现径向、轴向磁场解耦的优点，完全符合无轴承电机尽量减小轴向尺寸、减少系统的重量、功耗等要求。所以本课题拟采用此类轴承中新型的三自由度永磁偏置径向轴向磁轴承。 4.4.2 永磁偏置径向轴向磁轴承的总体结构设计永磁偏置径向轴向磁轴承与普通磁悬浮轴承大体相一致，只是多加了一个永磁体来提供偏置磁场，根据一般磁轴承结构，结合永磁偏置径向轴向磁轴承的工作原理，设计其总体结构如下图4.2 所示。1定子 2径向控制线圈 3永磁体 4轴向控制线圈5转子硅钢片 6转轴 7径向定子 8定位铝圈图4.2 永磁偏置径向轴向磁轴承总体结构示意图该磁悬浮轴承在结构上的主要特点有：轴向定子由三个零件组装而成，比整体结构而言，虽然在连接处存在漏磁现象，但是加工方便，经济效益好，而且比整体结构装配方便。转子硅钢片直接以轴肩定位，无须设计定位轴套。径向控制线圈绕在径向定子的齿槽内，而轴向线圈则直接绕在轴向定子设计出来的凸台上，绕线简单可行。轴向定子用螺钉连接，装卸方便。各零件径向皆以彼此的内外径定位，而轴向则增加了两个铝圈，尺寸大小一致，一来可以保证永磁体和径向定子定位在整个磁轴承的正中，同时铝不导磁，故不存在扰磁、漏磁及耗磁问题。轴向定子设计成台阶状，便于与磁轴承外圆定位及装配。整体结构轴向尺寸小，从而缩短了电机主轴的跨距，增大电机的扭矩及输出功率。4.5 无轴承电机结构件的结构设计 4.5.1 定子与转子的设计定子是电磁轴承最关键的部件之一，它主要由定子铁芯、定子绕组等组成的八极结构，如图4.3 所示。定子铁芯由导磁性能好的软磁材料（硅钢片）片制成，转子是定子的衔铁，故必须采用导磁性能好的软磁材料（硅钢）薄片粘叠而成。图4.3电磁轴承定子结构简图此类零件早有先例，结合磁悬浮轴承的具体参数，参照电机定子结构设计即可。考虑到电机尺寸较小，采用八极结构即可。齿槽结构很多，采用上述结构，主要是考虑其齿槽较大，方便传感器的传输线从其中穿过，无须专门设计线路通道，同时也减少加工工序。 4.5.2 传感器部件的设计传感器支架用于支撑位移传感器探头，无论是水平方向还是垂直方向，都采用两个传感器差动检测转子位移，因此，在同一个方向上安置的螺孔必须

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