基于磁热耦合的高速电主轴动力学特性分析

【摘要】：高速电主轴是高速加工机床的关键部件之一,其性能好坏直接影响产品的加工精度。由于制造、装配等误差,有可能导致高速电主轴内置电机定子和转子的回转中心不重合(本论文将这种不重合称为静偏心),其可引起定转子间的气隙分布不均匀;在高速电主轴运行过程中,随着转速的提高,转子在径向方向受到的电磁力不再保持平衡,因此转子表面将产生不平衡磁拉力,同时转子热膨胀逐渐加剧,在两者的共同作用下,高速电主轴内置电机定子和转子的回转中心在原有的静偏心的基础上,又进一步加剧了偏心(本论文将偏心称为动偏心),使得高速电主轴轴心轨迹超出允许的误差范围,最终影响高速电主轴的回转精度。因此,本论文在考虑高速电主轴转子存在静偏心的前提条件下,进一步研究了不平衡磁拉力和转子热膨胀对高速电主轴动力学特性的影响,建立了转子磁热耦合有限元模型,将通过Motor-CAD有限元分析软件得到的转子热膨胀量作为动偏心代入建立的不平衡磁拉力模型中,并结合两者构建了高速电主轴转子动力学模型,得到了不同转速的磁热耦合作用下的轴心轨迹图,发现随着转速增加转子运动状态由单双周期运动转向混沌再回归多周期稳定状态的现象,最后通过实验验证了6000r/min～10000r/min转速的轴心轨迹在主轴回转精度内的结论。具体研究内容和解决问题如下:(1)构建高速电主轴不平衡磁拉力模型。阐述了高速电主轴中涉及到的电磁场理论,在恒定磁场的条件下,讨论了高速电主轴中电磁力的三种计算方法;通过对高速电主轴内部结构偏心分析,建立定转子间的气隙模型,最后利用麦克斯韦应力法推导了转子所受到的不平衡磁拉力。(2)高速电主轴热态分析。采用有限元方法,通过Motor-CAD仿真软件计算了热膨胀量,得到了高速电主轴内部最大发热处集中在了转子绕线槽处和转速与高速电主轴转子热膨胀量存在着正比关系的结论。(3)高速电主轴磁热耦合动力学特性分析。采用Newmark-β法求解在不同的条件下考虑重力和不考虑重力时由磁热耦合下的转子在x和y方向上随时间的位移变化规律。(4)实验对比验证。在不同转速下测试高速电主轴的回转轨迹图形,得到实验测量的回转半径与理论计算回转半径之间存在一定的误差,并且理论计算得到的回转轨迹在主轴回转精度内的结论,验证了本论文研究的合理性和正确性。