用于支承高速电主轴的交流磁轴承结构优化与系统设计

发布时间：2020-10-10 06:18

　　 磁轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间,实现定子和转子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承,具有无摩擦磨损、无需润滑和密封、转速高、精度高、寿命长等许多突出优点,在数控机床等机械加工领域中具有潜在应用价值。目前国内外对磁轴承的研究多为直流式磁轴承,而直流开关功率放大器相对于交流逆变器来说其体积大、功耗大及成本高。论文研究设计了新型的三相交流主动磁轴承和集径向、轴向控制于一体的径向-轴向共用偏磁电流主动磁轴承,均采用三相功率逆变器提供径向控制电流,大大减小了功率放大器体积,降低了功率损耗,降低了成本,三自由度主动磁轴承利用轴向线圈同时为轴向和径向提供偏磁磁通,大大提高了磁轴承径向的承载力。在此基础上,论文设计了用于支承高速电主轴的五自由度磁轴承样机以及数字控制系统,为电主轴进入实用化研究奠定了基础。文章主要研究工作如下: 首先,设计了用于高速电主轴悬浮支承的三相交流主动磁轴承和径向-轴向共用偏磁电流的主动磁轴承,采用等效磁路法对两种磁轴承的磁路进行了计算,导出了其径向和轴向悬浮力数学模型。依据数学模型及性能要求,给出了相关设计参数的方法。采用仿真软件MATLAB对各自悬浮力的非线性和耦合性特性进行了仿真分析,采用ANSOFT软件对磁轴承的机械结构和磁路结构进行了计算分析,并分别提出了两种新型磁轴承的控制策略。 其次,在MATLAB/SIMULINK仿真环境下,构建了径向-轴向共用偏磁电流的主动磁轴承控制系统仿真模型,并进行了仿真研究。仿真结果表明,采用分散的PID对各自由度进行控制,系统具有良好的动静态性能。 最后,采用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片作为五自由度交流磁轴承系统的数字控制器,设计了数字控制器的硬件电路以及软件流程图。 理论研究与仿真表明:本论文研究的用于高速机床电主轴悬浮支承的五自由度交流磁轴承系统,结构和参数设计合理,构建的数字控制系统合理。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2010
【中图分类】：TH133.3
【部分图文】：

多关键技术，其中最主要的就是高速切削主轴系统，‘电主轴分为车削电主轴、铣床电主轴和磨削电主轴，另外还有组合机床使用的多功能电主轴等多种类型。在5自由度磁轴承一转子系统中装上高速电机就成为磁悬浮支承电主轴，如图1.2所示。众所周知，由于提高生产率和加工精度的市场需求，机床电主轴近年来向着高速、高精度方向迅速发展。目前的实验表明，当切削速度超过一个临界值以后会出现切削力急速下降，散热也更好的状态。传统的滚动轴承在高速旋转时，由于滚子的离心力和陀螺力急剧增大，造成发热严重和寿命缩短，而动静压轴承同样存在液体摩擦损失、发热和刚度问题。磁轴承由于自身显著的特点，可以实现高刚度

三相逆变器能实现径向两个自由度的驱动控制，可以大大降低功率损耗和制造成本。三相交流主动磁轴承基本结构如图2.2所示，由转子、定子和三个控制线圈等构成。定子做成单片三极式结构，三个定子磁极沿圆周均匀分布，三个控制线圈绕在三个定子磁极上，由三相功率逆变器进行驱动控制。图中带箭头的虚线表示控制线圈通电后产生的磁通，其方向由控制电流方向按照右手定则确定，控制磁通在定子、气隙与转子之间形成回路。转子车专车由控制线圈定子图2.2二相交流土动磁轴承结构示意图三相交流主动磁轴承工作原理是基于无轴承电机原理，使转矩绕组极对数尸l为O，悬浮力绕组极对数尸:为l，满足径向悬浮力产生条件尸2二尸1士1

的方向相反，从而使转子回到径向平衡位置。2.2.2径向一轴向共用偏磁电流的主动磁轴承结构与工作机理径向一轴向共用偏磁电流的主动磁轴承结构见图2.3，由轴向定子、轴向控制线圈、径向定子、径向控制线圈、转子等构成。径向定子三个磁极沿圆周均匀分布，转子由隔磁铝环分隔成轴向对称的2部分。工作时轴向控制线圈除了对轴向自山度控制以外，还同时为径向和轴向提供偏磁磁通。径向沿圆周1200均匀分布的三个控制线圈通以三相交流电产生可旋转的合成磁通来控制径向2个自由度。1.轴向控制线圈2.径向定子3.转子4.隔磁铝环5.径向控制线圈6.轴向定子图2，3径向一轴向共用偏磁电流的主动磁轴承结构图2.4是径向一轴向共用偏磁电流的主动磁轴承磁路示意图。左图中带箭头的实线表示径向控制磁通，在径向定子、径向气隙与转子之间形成回路。左图和右图中带箭头的虚线表示的是轴向控制磁通，在轴向定子、轴向气隙、转子、径向气隙以及径向定子之间构成回路。轴向控制线圈中的偏磁电流，为径向一轴向磁轴承提供偏磁磁通。由图2.4看出看到

【引证文献】

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1 陈瑞;刘贤兴;;五自由度磁悬浮电主轴的结构设计与仿真[J];电机与控制应用;2011年11期

本文编号：2834840