高速电主轴机电耦合建模与仿真研究

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高速电主轴单元作为高端数控机床的核心功能部件，足多变量、非线性、强耦合的物体.其在机电能量 々换过程中的机电耦合特性将对高速电主轴的整体 能产生关键性影响.所以近年来国际上围绕如何建 高速电主轴系统的机电耦合动力学模型进行了L 泛研究，取得了卓有成效的成果.如 C.Brecher等 综述 高速电主轴领域整体关于机电耦合建模的j三要研究成果；盖杰等 用传递矩阵法建立 r高速电主轴系统的机 -电耦合动力学模型，用变分原理研究其在高速运转下 的动力学性 能；BerndBossmanns等 提出了-个电热转换动力学模型，集中描述了电主轴输入电能与系统热能之间的转换关系，进而分析系统阻尼、刚度等动力学特征参数的影响规律；Jenq-shyong Chen等 在 BossmannsBernd等人研究的基础上，进-步优化了高速电主轴电-热动力学模型，并有效降低了电主轴的温升效应；Bert R.Jorgensen等 以能量守恒为依据，通过建立高速电主轴的机电能量转换动力学模型，以研究其在不同转速、载荷及润滑条件下的热力学特18征，并进行了实验验证。

上述研究成果主要集中在高速电主轴电能 热能之问的建模与实验研究上，对高速电主轴巾磁场能在电能与机械能转换关系上尚未进行深入研究，尤其对磁场能在高速电主轴输出动力学行为的影响，缺乏详细论述.基于此，本文拟从高速电主轴机电能量的转换机理、耦合磁场的建立及其所起的作用出发，通过建立高速电主轴机电耦合动力学方程，系统研究其在稳定运行过程中电磁参数与磁场稳定性之间的关系、磁场稳定性与主轴带载能力及运行稳定性之问的关系等，并利用 MATLAB/Simulink软件对该模型进行仿真，研究高速电主轴在稳定运行过程中电磁参数、输出动力学特征参数与负载之间的因果关系。

1 高速电主轴机电耦合模型的建立高速电主轴是将高速电机的定子作为壳体，将转子热压在高性能机床主轴上，利用电能驱动主轴带动刀具或工件进行高速切削加工的功能部件，其收稿日期：2012-09-23基金项目：国家重大专项(2012ZX04003051)；湖南侍育厅资助项 目(12B042)；重庆市教委科学技术研究资助项目(KJ121414)通信作者：康辉民(1975-)，男，湖南新化人 ，博士，讲师，主要从事机电传动及智能化控制系统的研究.E-mail：xykanghm###163.eom结构如图1所示.它不仅包含了高速电机驱动系统的电磁参数，而