（机械设计及理论专业论文）调整电主轴静动态性能分析与实验检测技术.pdf

r r 与实验检测技术 重庆大学博士学位论文 学生姓名：康辉民 指导教师：陈小安教授 专业：机械设计及理论 学科门类：工学 重庆大学机械工程学院 二o o 年四月 国家自然科学基金项目( n o 5 0 6 7 5 2 3 3 ) at h e s i ss u b m i t t e dt oc h o n g q i n gu n i v e r s i 够 i np 抓i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h e d e g r e eo f d o c t o ro fe n g i n e e r i n g b y k a n gh u i m i n s u p e i v i s e db y p r o f c h e nx i a o a n m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y c o l l e g eo f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n go fc h o n g q i i l g u n i v e r s i 饥c h o n g q i n g ，c h i n a a p r i l2 0 1 o t h i sp a p e ri ss u p p o i t e db yn s f c ( n o s 0 6 7 5 2 3 3 ) 中文摘要 摘要 高速电主轴作为现代高速加工技术的核心部件之一，广泛应用于各种数控加 工中心和高性能的机床主轴上，具有多变量、非线性、强耦合的特点，其内部的 电磁转换与主轴动态输出性能之间存在着非常复杂的相互依存关系。因此，研究 如何解释和控制这种相互依赖关系，一直是高速电主轴的研究重点之一。但由于 高速电主轴运行时，转速非常高，很难对其进行动态加载测试，且由于国外的技 术垄断，国内尚未完全掌握主轴内部的电磁耦合关系与主轴转矩动态输出性能之 间的作用规律，有关这一方面的基础资料也十分缺乏，严重影响了高速电主轴技 术的深入研究和工程应用。基于上述原因，本课题从高速电主轴的电磁特性出发， 提出了一套比较完整的高速电主轴动态性能测试方法，并通过对实验数据与理论 分析的对比，取得了以下主要结论： 高速电主轴的动态性能测试包括电气参数测试和机械特性参数的测试。利 用测功机并结合三相高频电参数仪等辅助设备，可以获得高速电主轴的输入电压、 电流、功率因数以及输出转矩、转速和效率等机械和电气参数；而通过单向加载 并同时测试力与力的方向上的位移可以获得高速电主轴的动态刚度值。本文对高 速电主轴的转矩和动态刚度的测试均给出了机械式和电磁式两种测试方法，并指 出采用测功机测试转矩时，对机械接触式加载需解决测功机与被测电主轴及联轴 器的动平衡问题；而用非接触式的电涡流测功机，则需保证加载磁场的稳定性和 测功机侧电磁热的及时散发。当对高速电主轴的动态刚度进行测试时，若采用机 械式的接触式加载，需有效解决接触磨损所导致的加载失效以及磨屑和摩擦热的 散失；而采用电磁加载方式时，除了磁场的稳定性外，还需要考虑磁场对位移传 感器的干扰，以防止数据采集失败。 由于高速电主轴输出的机械能取决于高速电主轴气隙磁场中的机电能量 转换，所以对磁场的控制，是高速电主轴动态性能研究的重点，涉及到高速电主 轴数学模型的建立和控制方式的选取。本文根据高速电主轴的特性建立了两种模 型：以高速电主轴电磁参数有效值为基础的稳态数学模型和以过程控制为基础的 动态数学模型。前者以控制气隙磁场为目的，当负载变化时，通过控制定子电流 来近似控制励磁电流恒定，以满足转子电流与负载的线性关系。该模型适应w 控制方式，控制方法简单，但控制精度不高。后者分别以控制转子磁链和定子磁 链为目的，各自对应矢量控制和直接转矩控制方式。本文重点对矢量控制进行了 分析和试验，介绍了无速度传感器矢量控制的原理和该控制方式下高速电主轴的 动态性能，论述了当主轴负载变化时，该控制方式控制磁通稳定和抵抗外界干扰 重庆大学博十学位论文 时所采用的策略，并进行了实验验证。 当主轴的运行频率下降时，w 控制下的输入电压应根据高速电主轴额定 状态下定子绕组反电动势的大小进行电压补偿，以确保低频下的磁通稳定性；而 矢量控制时对励磁电流和转矩电流的控制精度取决于高速电主轴动态数学模型中 耦合电压的解耦效果。因此，本文详细论述了在渺控制时，如何有效进行低频电 压补偿的方法，并根据实验数据进行了具体论证；而对矢量控制下交叉耦合电压 的解耦途径和效果，进行了对比研究，利用实验验证了高速电主轴在矢量控制下 的抗扰动能力和动态速度跟随精度。 应用叠加原理，论述了由谐波磁场产生的谐波磁动势如何通过叠加在主轴 磁通上来影响主轴的电磁转矩和输出转速的方式，进而对高速电主轴的静动态性 能产生严重影响。并指出各阶谐波影响的程度不同：谐波阶次越低，影响越大； 高速电主轴运行的频率越低，需要抑制的谐波次数越大。所以高速电主轴的实际 负载运行速度不能过低，这是因为谐波的干扰限制了高速电主轴的实际转速范围。 应用电机学和运动学原理，分析了高速电主轴电磁热和摩擦热产生的原 因，并根据传热学理论确定了高速电主轴各部分的传热系数和导热热阻，从而建 立了高速电主轴的整体动力学热模型。试验结果表明，转速越高，主轴的温升越 大；而气压和润滑油量对主轴温升的影响存在一个最佳的适应范围。 综上所述，本文主要在高速电主轴的动态性能测试方法、稳态和动态数学模 型的建立、控制方法与数学模型之间的相互关系、交叉耦合电压的解耦效果以及 对主轴动态性能的影响、主轴整体动力学热模型的建立与主轴温升的影响因素等 方面取得了一定的理论和试验测试成果，为揭示高速电主轴的结构参数设计和电 磁变量对主轴动态性能的影响机理和规律，进行了比较系统的分析和试验研究， 获得了一些有用的结论和试验数据，为高速电主轴的后续研究打下了基础，因而 具有一定的学术意义和社会经济效益。 关键词：高速电主轴，动态分析，性能测试，谐波干扰，热模型 ， l s p e e dc a i lg ou pt ov e 巧t l i 曲i i lo p e r a t i o nc o n d i t i o i l s 1 kk n o w l e d g eo f m er e l a t i o n s b e t w e e ns p i n d l e s d y n 锄i cp e 怕肌a i l c ea i l de l e c t r o m a 卯“cc o n v e r s l o na r el 蛐l _ t e d ，弱 血el a c ko f 缸1 d 锄e n t a li n f o 咖a t i o no nh i 曲s p e e dm o t o r i z e ds p i l l d l e sa n d t l l ef o r c l 弘 m o n o p o l y o fa d v a n c e dt e c h n o l o 阱枷c h1 1 i n d e r s 龇h 卜d e p mi n v e s t i g a t l o n a n d a p p l i c a t i o no fl l i 曲s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e si nm g l ls p e e dm a c l l i n i n gi n d u s t l y t h u s ， t h i sp r o j e c tp 吣f o 刑矾as e to fr e l a t i v ec o m p l e t ed y n 锄i cp e 南衄a n c ：et e s tm e t h o d s b 硒e do nt h ee l e c 仃o m a 印e t i cc h a m c t e r i s t i c so fl l i 曲s p e e de l e 嘶cs p i n d l e s ，锄dt l l e f o l l o w m gc o n c l u s i o n sc 趾b eo b t a i n e db yc o m p a r i n ge x p e r i m e n t a ld a t a 谢t l lt h e o r e t l c a l a i l a l y s i s ： d y n 锄i c 阳晌m a n c et e s to fl l i 曲s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e si n c l u d e st e s t l n g e l e c t r i c a l 孤dm e c h l i c a l lp r o p e r t i e sp 乏哪e t e r s ad ”m l o m e t e ra n da 也r e e p t m s em g n 骶q u e n c ye l e c t r i c a lp 踟e t e r s i i l s 臼咖e me ta 1 a u x i l i a 拶e q u i p m e n t sa r eu s e dt oo b t a i n m e c h a i l i c a la n de l e c t r i c a lp a r ：a m e t e r so fl l i 曲s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e s ，s u c h 船m p u t v o l t a g e 。c u 玎e n t ，p o w e rf 撕o r ，o u t p u tt o r q u e ，s p e e da n de 伍c i e n c y ，、_ t l i l s t m ev a l u eo f d a m i cs t i 髓e s sc 趴b eo b 协i n e d b ye x e n i n gaf o r c e 锄dt e 毗培m ef o r c e 锄d 舭 d i s p l a c e m e n ti i lt l l e f o r c ed i r e c t i o n t w om e t l l o d so ft e s t i n gl l i 曲s p e e dm o t o r i z e d s p i n d l e s ，t o r q u ea n dd y n 锄j cs t i f h l e s s ，m e c h 撕c a la n de l e c 仃o m a 印e t i ct e s t i n gm e t h o d ， a r eg i v c ni i lt h i sp a p e r f o rt h em e c h 枷c a lc o n t a c t1 0 a dm e a n s ，w h e n ad y n 锄伽e t e rl s l l s e df o ro b t a i m n gt o r q u e ，p r o b l e m so fd y n a m i cb a l a n c e 锄o n gd y i 珀m o m e t e r ，s p l n d l e 髓dc o u p l i n gn e c e s s i t a t et ob ea d d r e s s e d f o r 觚o t l l e r ，u s i n ga n o n 。c o n t a c te d d yc u 玎e m d a m o m e t e r ，o n en e e dt oe n s u r e l a tl o a dm a g n e t i cf i e l di ss t a 【b l ea i l de l e c 仰m a 即e t i c h e a to fm ed y n 锄o m e t e rd i s s i p a t e si nt i m e w h e nt e s t i n gi i y n 锄i cs t i 仃n c s s o fm g l l s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e s ，i f 廿l em e c h a l l i c a lc o n t a c tl o a dm o d ei s s e l e c t e d ，p r o b l e m s r e l a t e d 州mc o r 峨tw e a ri n c l u d i n g f a i l u r el o a d ，w e a rd e 嘶s鲫d 衔c t i o nh e a t d i s s i p a t i o nn e e dt ob ec o n s i d e r e d ；i ft h ee l e c 仃o m a 印e t i cl o a d i n gm o d ei s 锄p l o y e d ，n o t o i l l y 也es t a b i l i t yo fm em a g n e t i cf i e l db u ta l s ot h em a g n “cf i e l di n t e r f e r e n c e 谢t l l 仕忙 d i s p l a c e m e n ts e n s o rn e e d st ob ec o n s i d e r e dt oa v o i df a i l u r e c o l l e c t i o n a s 位o u t p u tm e c h a i l i c a le n e 唧d 印e n d so nm ce l e c 仃o m e c h 舢c a le n e 啊 c o n v e r s i o ni nm a 盟e t i cf i e l do f1 1 i 曲s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e s ，也em a g n “cf i e l d c o n 仃d li sm ee m p h a s i so fm e 咖d yo fd y n a m i cp e 墒m 锄c eo fl l i g l ls p e e dm o t o r i z e d s p i n d l e ，i n v o l v i n ge s t a b l i s h i n gm a _ t h e m a t i c a lm o d e l a i l ds e l e c t i n gt h ec o n t r o lm e t i l o df o r l l i 曲s p e e d m o t o r i z e d s p i n d l e s a c c 叫d i n g t 0 l l i 曲s p e e dm m o r i z e ds p i n d l e s c h a r a c t e r i s t i c s ，t 、7 i r om o d e l sa r ep u tf o m ，a r di n t l l i sp a p e r ：as t e a d y 。s t a t em a t h e m a t l c m o d e lb 2 l s e d o ne 仃e c t i v e v a l u eo fe l e c t r o m a 印e t i cp 蹦吼e t e r s a n da p r o c e s s c o n 呐1 - b a u s e dd y n 锄i cm a m 锄a t i cm o d e l w i mm ea i mo fc o n 仃o l l i n g 位a i r g l pm a 5 n e t i cf i e l d ，、v h e nm el o a dc h a n g e s ，t h es t e a d y - s t a t em o d e lc o n 拓o l 1 es t a t o r c u r r e n tt 0m a i n t a i nt h ce x c i t a t i o nc u 玎e n ta p p r o x i i l l a t e g t a b l et 0m a k es u r e 让l e r e l a t i o n s h j pb e t 、v e e nm er o t o r 咄n t a i l dt 1 1 el o a di sl i n e 跣t h ec o n t r o lm e t h o dw 砒l t l l es t e a d y s t a _ t em o d c l i sv e 巧s i m p l ea i l dm ec o n 扛d la c c u m c yi s n o th i g l l ，a n di ti s s u b i e c t e dt 0m eu fc o n 呐lm o d e t h ep r o c e s s - c o i n r 0 1 b a s e dd y n 锄i cm a t h 锄a t i c m o d e lf o c u s e so nc o n 仃o l l i n gt h er o t o rf l u x 锄d 血e 删0 rn u x ，c o 仃e s p o n d i n gm 血 v e c t o rc o 加旧lm o d ea n dd i r e c tt o r q u ec o n 仃o lm o d e ，r e s p e c t i v e l y i nt l l i sp 印e r ，a l l a l y s i s a n de x p e r i i n e n to fv e c t o rc o n t r o l i sc o n d u c t e d t h et l l e o r yo fs p e e ds e n s o r - l e s sv e c t o r c o n 仃d 1a i l dm ed y i l a n l i cp e r f o m a n c eo f1 1 i 曲s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l eu n d e r “s c o l l d i t i o na r ei n t r o d u c e d ，a i l dt l ：恰s t r a t e g i e su s e df o rm a i n t a i n i n gt l l em a g n e t i cn u x c o n s t a n t 趿dr e s i s t i n gm ee x t e m a li n t e 疵r e n c ew h e nt l l es p i n d l e l o a dc h a i l g e sa r e d e s c r i b e da s 、) r e l la se x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o ni sp e r f o n n e d t 0e n s u r et l l en u xi ss t a _ b l ew h e nh i 曲s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e s a r e0 p e r a l e da t l o w 舶q u e n c i e s ，m ei n p u tv o l t a g e 谢mu f c o n n o ls h o u l db ec o m p e n s a t e da c c o r d m gt 0 n l el e v e lo fb a c ke l e c n o m o t i v ef o r c eo ft h es t a t o rw i i l d i n g so fh i 曲s p e e dm d t o r i z e d s p i n d l e si nm t e dc o n d i t i o n h o w e v e r ，u 1 1 d e rm ev e c t o rc o n n o lm o d e ，t l l ec o n 咖l a c c u r a c yo fe x c gc u r r e i l ta i l dt o r q u ec u m n td e p e n d so nm ed e c o u p l i n ge 虢c t so f c o u p l i n gv o l t a g e si i lm e 咖姗i cm 劬锄a t i c a lm o d e l o ft l i 曲s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e s 1 1 1 e r e f o r e ，e 腩c t i v ev o l t a g ec o m p e n s a t i n gm e 恤o d sa tl o w 舶q u e n c i e s 、析t l lu fc o l l 叻1 a r ed i s c l l s s e di nd e t a i l ，a i l dv a l i d a t e db ye x p e r i m e n t s d e c o u p l i n gm e a l l sa i l de 仃e c to f c r o s sc o u p l i n gv 0 1 t a g e s 眦d e rv e c t o rc o 嘶o la r ec o m p a r e d ，强da n t i d i m 曲a n c ea b i l i 够 锄dd y n 锄i cs p e e d 缸犹k i n ga c c u m c yo fl l i 曲s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e su i l d e rv e c t o r 一 英文摘要 c o 砷的la r ev e n f l e de x p e n m e n t a j l y h o w也eh a m o i l i cm 雄丑e t o m o t i v ef o r c eo fh 锄o m cm a g n e t i cf i e l d s u p e r i m p o s e s o nt l l e s p i l l d l ef l u x ，t h ew a y i i lw i l i c hi t a a e c t st l l e s p i n d l e e l e c 臼o m a g n e t i ct o r q u e 锄do u t p u ts p e e d ，t l l e r e b ye x e n i n gs e v e r ei n n u e n c e so nt h e s p i n d l e 僦i c 锄dd y n 锄i cp 酬f o m 锄c e ，i se l a b o r a t e d t h ei m p a c t so fd i 虢r e l l t 1 1 a 珊o i l i c so ns p i n d l e sv a 巧：t l l el o 、e rm eh 锄0 1 1 i co r d e r s ，t i l em o r es e r i o u st l l e i i l l p a c t s ；m el o 、张rt h en e q u e n c i e so f1 1 i 曲s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e s ，t l l el l i 曲e rt h e l l a 盯n o l l i c si l e c e s s i t a t et ob es u p p r e s s e d a sh 锄o m ci i l t e r f e r e n c el i n ：l i t st l l es c o p eo ft 1 1 e a c 删r o t a t i o n 以s p e l e do f1 1 i 曲s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e s ，t 1 1 es p i n d l ea c t u a ls p e e d 谢t 1 1 l o a dc a n n o tb et o ol o w ： t 1 1 ep r i n c i p l e so fe l e c 仃o m a g n e t i ch e a ta n d 衔c t i o nh e a to fh i 曲s p e e dm o t o r i z e d s p i r l d l e sa r ea l r l a l y z e do nm eb a s i so fe l e c t r i c a lm a c l l i n e s 趾di 血e m a t i c s ，a n dt l eh e a t 咖s f 打c o e 衢c i e n ta n dt h em e m l a lr e s i s t a n c eo ft h es p i n d l ee a c hp a r ta r ed e t e m i n e d a c c o r d i i l gt oh e a t 把m s f e rt h e o a ni n t e 伊a t e dd y n 锄i ct h e m a lm o d e lo fm 曲s p e e d m o t o r i z e ds p i i l d l e si se s t a _ b l i s h e d t h ee x p e r i m e m a lr e s u l t ss h o w 斌t h es p i i l d l e t e m p e r a t u r ei n c r e a s e s 谢t 1 1t t l es p i n d l es p e e di i l c r e a s e s ，w i l i l et l l e r ei sa 1 1o p t i m 啪r a i l g e f o ra i rp r e s s u r e 觚dl u b r i c a n tv 0 1 啪ew h e 陀t 1 1 e ye x e nn l e1 e s ti m p a c t 彻m es p i n d l e t e m p e r a t u r er i s e i i lc o n c l u s i o n ，s o m es i 蛐f i c a n ta c l l i e v e m e n t si 1 1b o t l lt l l e o r e t i c a la 1 1 de x p e r i m e n t a l t e 咖sc a nb eo 抵n e d i i l c l u d i n g ：t h em e t h o d sh o wt ot e s td y n a i i l i cp e 墒m a n c eo f l l i 曲 s p e e d 珂【o t o r i z e ds p i n d l e sa r ei l l u s 衄t e d ，t l l es t a t i c 觚dd y n m l l i cm a m e m a t i cm o i i e l sa r e e s t a b l i s h e d ，t 1 1 er e l a t i o n s m pb e t 、v e e nt l l ec o n t r o lm e m o da i l dt h em a m e m a t i cm o d e li s f e v e a l e d ，t l l ed e c o u p l i n ge 舵c to ft h ec r o s s c o u p l i n gv o l t a g e sa n di t se 虢c to ns p i n d l e s d ) 删cp e r f - o m l a n c ea r ed e s c r i b e d ，a i li m e 掣砷e dd ”戚ct h e n i l a lm o d e lo fl l i 曲s p e e d m o t o r i z e ds p i n d l e si sd e v e l o p e d 觚dt 1 1 ef a c t o r s r e l a t e dt on l et 锄p e 舭r i s eo f s p i l l d l e sa r ea l s od e t e r m i l l e d t bi n v e s t i g a t eh o wt l l e 咖t u r a lp 猢e t e rd e s i g n 孤l d e l e c 协o m a g n e t i cp 猢e t e r so fm g l ls p e e dm o t o r i z e ds p i l l d l e se x e r te 丘e c t so ns p i n d l e s d y n a m i cp e r f o m a l l c e ，s y s t e m a t i ca l l a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e sa r e 刚- o m l e d ， 锄ds o m eu s e 伽c o n c l u s i o n sa i l de x p 嘶m e m a l 蛐a r eo b t a j n e d t h e s ei n v e s t i g a t i o n s c o l l s t i t u t en l eb a s i sf o r 缸r t l l e rs t u d i e so fl l i g hs p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e s ，a n dt h u st i l e y h a v ea c a d e “cs i 嘶f i c a i l c e 锄ds o c i a la l l de c o n o m i cb e n e f i t st oal a r g ee x t e n t k 码哪o r d s ：h i g l ls p e e dm o t i 喇z e ds p i l l d l e s ，d y n 锄i ca n a l y s i s ，p e f f 0 册a i l c et e s t i n g ， h 锄o i l i cd i s t u r b a n c e ，t h e m l a lm o d e l v 重庆大学博七学位论文 v i 1 1 课题研究的背景及意义l 1 1 1 课题的研究背景1 1 1 2 课题研究的意义2 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 高速电主轴的热性能研究2 1 2 2 高速电主轴的机电耦合建模与求解方法研究4 1 2 3 高速电主轴的静动态性能研究6 1 2 4 高速电主轴的应用现状6 1 3 回顾总结与课题提出7 1 4 本文的主要研究内容8 2 高速电主轴的静动态加载方法设计9 2 1 引言9 2 2 高速电主轴的原理9 2 2 1 高速电主轴的结构原理9 2 2 2 高速电主轴的润滑冷却原理1 0 2 2 3 高速电主轴的驱动与控制原理1 6 2 3 高速电主轴静动刚度加载方法设计1 7 2 3 1 静动刚度接触式加载测试设计l7 2 3 2 静动刚度非接触式加载测试设计2 0 2 4 高速电主轴的力矩加载方法设计2 2 2 4 1 测功机原理简介与选用原则2 2 2 4 2 接触式力矩加载方法设计2 4 2 4 3 非接触式力矩加载方法设计2 5 2 5 本章小结2 6 3 高速电主轴电路模型的简化与谐波对主轴性能的影响2 9 3 1 引言2 9 3 2 高速电主轴电路的简化原则2 9 3 3 高速电主轴数学模型的建立3 4 v j m j 重庆人学博士学位论文 3 3 1 稳态数学模型的建立3 4 3 3 2 高速电主轴动态数学模型的建立3 5 3 4 高次谐波对高速电主轴性能的影响3 9 3 4 1 谐波磁动势的成因3 9 3 4 2 谐波等效电路4 2 3 4 3 谐波转矩4 5 3 4 4 谐波转矩对高速电主轴低速运行性能的影响4 6 3 5 本章小结。4 7 4 高速电主轴在u f 控制下的稳态性能研究4 9 4 1 引言4 9 4 2u ，f 控制原理4 9 4 3u f 控制下低频运行时的电压补偿原理51 4 4 磁通恒定下电磁转矩与转速差的关系5 3 4 5 高速电主轴在u ，f 控制下的实验验证与稳态性能研究。5 6 4 5 1 试验技术要求5 6 4 5 2 定子绕组阻抗压降及定子电流与转速、转矩的关系6 1 4 5 3 低频电压补偿后的磁通稳定性测试“ 4 5 4 低频电压补偿后对主轴加工性能的影响6 6 4 5 5 谐波电流对主轴性能的影响6 8 4 6 本章小结7 1 5 高速电主轴在无速度传感器矢量控制下的动态性能研究7 3 5 1 引言7 3 5 2 矢量变换与动态数学模型7 3 5 2 1 坐标变换7 4 5 2 2 高速电主轴在矢量控制下的动态数学模型7 6 5 3 无速度传感器矢量控制原理7 7 5 3 1 高速电主轴的偏差解耦控制原理7 9 5 3 2 转子磁链相位偏差补偿及速度推算原理8l 5 4 高速电主轴的动态性能研究8 3 5 。4 1 高速电主轴机械特性曲线的理论分析与实验测试8 4 5 4 2 高速电主轴的功率因数特性曲线测试8 6 5 4 3 高速电主轴的效率特性分析与曲线测试8 8 5 5 本章小结8 9 6 高速电主轴整体热模型的建立9 1 v i i i 目录 6 1 引言9 1 6 2 高速电主轴的热源分析9 1 6 2 1 高速电主轴电磁热的计算9 2 6 2 2 高速电主轴轴承热的计算9 3 6 2 3 高速电主轴轴承热的传递研究9 8 6 2 4 高速电主轴定、转子的热传递研究1 0 0 6 3 高速电主轴的温升试验1 0 4 6 4 本章小结1 0 7 7 结论与展望1 0 9 7 1 全文总结1 0 9 7 2 后续研究工作与展望1 1 0 致谢l 13 参考文献1 1 5 附录1 2 3 a 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录1 2 3 b 作者在攻读博士学位期间取得的科研成果目录1 2 3 c 作者在攻读博士学位期间参与研究的课惠1 2 4 重庆大学博士学位论文 一一 x 1绪论 高速电主轴技术的产生和广泛应用取决于两个前提条件：一是高速切削技术 理论的发展和成熟；二是现代微电子技术的快速发展和广泛应用，特别是晶体管、 场效应管和i g b t 管等微电子技术的产业化，推动变频调速技术快速发展的同时， 也使得高速电主轴的产业化成为可能。因此，高速电主轴既是现代高速加工技术 理论发展的产物，同时也是现代微电子技术推广和产业化的直接成果之一。它将 高性能机床主轴与高频电机结合在一起，省去了传统机床主轴所必须的齿轮传动 和皮带传动形式。在避免传统机床主轴齿轮和皮带之间的机械耦合对主轴性能影 响的同时，也将机电耦合和电磁耦合等新的耦合形式引入到主轴结构中，使对主 轴的研究从传统上对齿轮和皮带的传动精度控制转换为对电磁解耦方法和电磁转 矩控制精度的研究上。基于此，对高速电主轴性能的研究，也分成两个大的方向： 一是高速电主轴结构设计和新材料、新技术的研究与应用，主要体现在对结构参 数优化、陶瓷轴承、磁悬浮轴承技术、高强度低损耗电磁材料的应用上；二是高 速电主轴的机电耦合建模与解耦控制方法的研究，以及主轴电磁参数的优化设计 等。而随着研究的不断深入，发现单从某一方面来研究高速电主轴的性能，已无 法解释其内部复杂的静动态特性，需要将高速电主轴的机械、电气与控制等多因 素综合起来考虑，才能对高速电主轴的整体性能进行判断和评价，本文正是在这 一认识的基础上，从高速电主轴的机械结构、电气原理和控制方法上逐步展开研 究的。 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 课题的研究背景 自从高速切削技术在2 0 世纪2 0 年代末期诞生以来，以其独特、高效、低耗 的特性而受到各国学者和政府的持续关注和大力支持，特别是变频调速技术的推 广和应用，使得高速电主轴技术迅速成为高速加工的核心内容之一，并进一步推 动了高速加工机床技术的快速发展。 到2 0 世纪9 0 年代初期，国外高速切削技术的飞速发展和高速机床的快速产 业化，标志着高速切削技术水平已渐趋成熟，并开始在制造领域大显身手。许多 技术基础雄厚的机床厂推出了多种高速、高精度的机床产品，并且在航空航天制 造、汽车工业和模具制造、轻工产品制造等重要工业领域创造了惊人的效益。高 速切削技术和高速加工机床越来越多地受到制造部门的青睐，在购买机床时，高 速性能已成为加工机床的一个重要指标。与此同时，这种高性能切削机床迅速进 重庆大学博士学位论文 入国内市场，从而对国内的机床产业造成强大冲击，刺激了我国学者和企业界对 高速加工技术理论的分析和实验研究