永磁同步型机床电主轴齿槽转矩抑制方法研究

齿槽转矩引起的转矩脉动会影响永磁同步电主轴电机转矩的平稳性,进而影响加工工件的表面质量。针对传统的工程解析法假设条件多,难以考虑磁路饱和、漏磁和复杂结构等因素,计算结果与工程实际存在较大差距的不足,采用有限元法定量研究了永磁电机定子槽口宽度、斜槽、极弧系数和永磁体偏心距等对齿槽转矩及力能特性的影响规律。揭示了齿槽转矩产生的物理机理,提出了通过优化电机结构参数抑制齿槽转矩的具体策略。研究表明:依据所提策略优化后的电机参数能使永磁电机齿槽转矩显著减小,同时电机的动态特性得到提升。     

小孔节流深浅腔动静压轴承承载特性解析研究

小孔节流深浅腔动静压轴承是一种采用小孔节流器实现节流作用及浅腔实现二次节流作用的动静压混合轴承。针对现有理论不能解析研究油腔结构参数及工作参数对承载特性影响规律的不足,以及计算流体力学数值仿真软件计算时周期长,而不便于工程设计人员应用的缺点,基于油腔压强分段线性化的思想,建立分析小孔节流深浅腔动静压轴承的油腔压强、承载能力、静刚度、进油流量及温升等承载特性的解析方法。进而以该方法研究动静压轴承的供油压强、主轴转速、进油孔径、浅腔深度、初始油膜厚度等参数对轴承承载特性的影响规律。研究发现,在其他结构参数及工作参数一定的条件下,浅腔深度为初始油膜厚度的2～3倍时,轴承刚度接近最大、温升接近最低。通过油腔压强的解析值与试验值的比较,证实了该方法的有效性和研究结果的正确性。     

高速角接触球轴承套圈倾斜角允许范围的定量研究

高速角接触球轴承由于存在加工和装配误差,内外套圈之间总是不同程度地存在着倾斜。当倾斜超过一定限度时,轴承的精度、刚度、温升和寿命会受到严重影响。针对现有的关于轴承套圈倾斜问题的研究未考虑高速离心效应及润滑的影响,难以准确反映高速轴承套圈倾斜角允许范围的不足,建立一种综合考虑套圈倾斜、高速离心效应和润滑影响的轴承动态特性分析模型,开发角接触球轴承复合工况下动态性能分析软件。典型算例计算表明：所编制的软件在不考虑高速离心效应和润滑影响时的计算结果与SKF公司TABACY软件的计算结果一致,而考虑高速离心效应和润滑影响后的计算分析更为合理。在此基础上,进一步考虑高速离心效应和润滑的影响,定量研究套圈倾斜角对高速角接触球轴承动态特性的影响规律,并从保障轴承寿命的角度提出套圈倾斜角的允许范围。     

可控节流参数对液体静压轴承特性的影响研究

节流器是液体静压主轴的核心元件,其节流特性对液体静压主轴的刚度和回转精度具有直接影响。针对现有节流器在主轴工作时节流特性不可控的不足,提出一款预压预调型可控节流器。在分析可控节流器工作原理和节流特性基础上,根据流体润滑理论,建立基于可控节流器的液体静压轴承承载性能的理论模型,研究可控节流器供油压力、弹簧刚度和控制油腔压力等参数对液体静压轴承承载性能的影响规律,并与固定节流液体静压轴承的承载性能进行对比。研究发现,在其他结构参数及工作参数一定的条件下,可控节流器能够显著地提高液体静压轴承的油膜刚度;在不同偏心率条件下,可控节流液体静压轴承的最佳油膜刚度对应的节流参数不同。在开发的液体静压电主轴试验台上进行了试验研究,通过对油腔压力和油膜刚度的理论计算值与试验测量值的对比,证实了可控节流方案的有效性。     

气体悬浮电主轴动态特性研究进展

在高效超精密加工中,气体悬浮电主轴存在电动机高速拖动能力衰减过快、电磁偏心激振、高次谐波激振和电动机定、转子发热严重以及主轴高速带来的温度效应和气流惯性效应等一系列技术难题.因此有必要对气体悬浮电主轴动态特性的影响因素进行系统分析和深入总结.分析气体悬浮电主轴的技术现状以及存在的问题:从轴承结构、气体流动形态、电磁偏心激振和不平衡响应等四个方面对电主轴稳定性的影响进行评述;综述轴承类型、轴承参数、表面粗糙度和轴颈倾斜对系统刚度的影响:阐述系统临界转速和电动机转速-力矩特性以及主轴高速带来的温度变化和气流惯性对主轴系统的影响;围绕主轴的回转精度,对主要因素、回转误差形成机理和精度测试与误差分离技术逐一评述;最后对气体悬浮电主轴技术的发展趋势进行预测和展望.     

基于SPWM逆变器供电的电主轴电机铁损特性改进预测模型

适合电主轴电机工程设计的铁损分析预测问题目前尚未圆满解决:如谐波分析法计算繁琐,效率低,而且由于硅钢片特性实验数据的不足,难以对电主轴电机的铁损进行有效预测;神经网络预测法计算精度与可靠性依赖于实验训练的样本数;现有参数估计预测模型对谐波涡流损耗项的界定不合理,计算误差大。针对现有方法的不足,建立基于正弦脉宽调制SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation,SPWM)电压源逆变器供电的电主轴电机铁心软磁材料铁损特性改进的参数估计预测模型,对模型中谐波涡流损耗系数进行重新定义、推导和修正。对比分析了该模型、现有模型和谐波分析法的计算结果,并对电主轴电机铁心软磁材料的铁损特性进行了理论预测与实验研究。仿真与实验证实了改进模型的正确性和有效性。     

高速电机转子碳纤维圆度误差对风摩损耗的影响

永磁体碳纤维护套圆度误差对转子表面风摩损耗和电机温度场具有重要影响,进而影响永磁体的不可逆退磁和电机运行的安全性,但该问题目前尚未圆满解决。为此,本文建立永磁同步高速大功率电机计入碳纤维护套圆度误差的气隙三维不可压缩稳态湍流数学模型,基于CFD对模型进行求解,研究永磁体护套圆度误差、冷却参数、转速和温度边界对转子表面风摩损耗的影响规律,并通过与经验公式的计算结果进行比较对模型方法进行特例验证。研究结果表明:随着圆度误差幅值的增大,转子表面风摩损耗不断增加,定子内表面和转子外表面的散热量亦随之增加。     

基于逆变器-电动机动态特性仿真的高速电主轴电动机的研究

建立了逆变器一电动机数学模型,开发了"逆变器-电动机-载荷"系统的动态特性仿真软件-实现了对逆变供电条件下高次谐波特性的定量仿真.利用该软件对所设计的;FR绕组节距、型式和不同转子槽形的电主轴电动机方案进行了比较研究.定量分析了设计参数对逆变供电条件下电动机实际运行性能特别是高次谐波损耗及高次谐波振动特性的影响,在对比研究的基础上确定了优化的异步电主轴电动机设计方案,通过实际设计案例证实了所提出的设计方法的有效性.     

高速大功率电机转子通风孔散热效率优化研究

采用将转子与冷却气体流场实行分离的传统分析方法难以反映转子与冷却气流的热耦合作用,难以实现转子散热效率优化。提出基于流固耦合的高速大功率电机转子系统动态传热特性的分析方法,建立转子系统的流固耦合传热模型。利用建立的模型研究转速、冷却气流入口压力和速度,以及转子冷却孔分布、孔径和轴心距对转子温度场和散热效率的影响规律,提出了优化散热效率的具体途径。结果证明了所提出的计算方法和优化散热效率的具体措施的有效性。     

液体静压主轴回转误差的形成机理研究

液体静压主轴是精密、超精密机床的核心功能部件,虽然已在工程领域获得广泛应用,但其回转误差的形成机理长期以来并不明确。利用现有的静压主轴计算模型,难以对主轴从静平衡位置到动态回转误差轨迹的过渡过程进行定量精确的计算和仿真,难以揭示出回转误差运动的扰动因素与主轴位置、轴承流量和油膜力等因素之间的内在联系,因而不能从物理本质上合理解释静压主轴回转误差的形成机理。建立了液体静压主轴回转误差的动力学模型,采用全程动网格方法、平衡位置动网格方法和平衡位置油膜刚度阻尼等三种方法,定量再现了主轴从轴颈与轴承的同心初始位置到形成回转误差运动轨迹的过渡过程,揭示了静压主轴形成平均回转中心和回转误差时扰动因素与主轴合力、轴承流量和轴心位置之间的相互影响规律。采用最小二乘法对回转误差轨迹进行评价,对比分析了三种方法计算结果存在差异的原因,提出了可同时兼顾计算效率和计算精度的将动网格与油膜刚度阻尼相结合的回转误差计算方法。