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陶瓷电主轴电磁力及损耗分析

作　者: 王丽艳
导　师: 张丽秀
学　校: 沈阳建筑大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 电主轴径向力不平衡磁拉力损耗
分类号: TG659
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

电主轴是高速加工中心的重要部件之一,是机床实现高精度、高效率、高可靠性的关键部件。主轴部件的性能直接影响加工中心的品质,电主轴的振动直接影响部件的加工精度,而电主轴的损耗影响部件的加工效率。采用陶瓷材料设计电主轴主要旋转部件可以提高电主轴极限转速及刚度,但是由于陶瓷材料导热、导磁、导电及机械性能与金属材料差别较大,陶瓷电主轴和金属电主轴的电磁振动及损耗有所不同。电磁振动是衡量电主轴动态性能的重要指标,而损耗是衡量电主轴寿命的重要指标。研究陶瓷电主轴的电磁振动有利于实现电主轴的低噪声低振动优化设计,而研究损耗可以改善电主轴的加工效率。因此,本文采用有限元方法对比分析了陶瓷电主轴和金属电主轴在电磁振动和损耗方面的不同,具体内容包括：1.采用解析法和有限元法相结合来分析陶瓷电主轴在空载和负载情况下的气隙磁密,得到定子所受的径向力。首先,通过建立解析模型得到气隙磁密,进而计算作用在定子上的径向力。其次,用Maxwell建立电主轴的有限元模型,通过场路耦合求解气隙磁密和径向力。最后,对比分析了陶瓷电主轴和金属电主轴的径向力的大小。分析表明：在相同条件下,陶瓷电主轴的径向力小于金属电主轴。2.采用有限元法分析了电主轴在不同偏心和不同定子电流下的不平衡磁拉力的大小,并把不同偏心下的不平衡磁拉力施加在转轴上,得到转轴挠度随气隙偏心的增大而增大。在相同不平衡磁拉力条件下,陶瓷电主轴的挠度变化比金属电主轴小50%。3.电主轴振动测试实验。首先采用ANSYS有限元软件对电主轴定子铁心进行模态分析,得到定子固有频率,然后通过空载振动测试实验得到电主轴的振动速度,对所测数据进行谐波分析。对比陶瓷电主轴和金属电主轴的振动速度曲线,分析表明：陶瓷电主轴的振动小于金属电主轴。4.电主轴损耗分析。采用场路耦合的方法,对电主轴进行空载和负载损耗仿真分析,包括定子铜耗、定子铁耗和转子导条损耗,并且对比分析了不同供电方式下,陶瓷电主轴和金属电主轴的损耗大小。仿真分析表明：陶瓷电主轴的损耗小于相同条件下金属电主轴。通过对拖式电主轴加载实验系统,测试电主轴效率和功率因数与加载转矩的关系。实验表明：效率和功率因数随着加载转矩的增大而增大,当加载转矩为额定转矩的50%时,效率和功率因数达到一个稳定值。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-11
第一章绪论  11-21
  1.1 研究背景及意义  11-13
    1.1.1 研究背景  11-12
    1.1.2 研究意义  12-13
  1.2 电主轴研究现状  13-14
    1.2.1 国外电主轴研究现状  13
    1.2.2 国内电主轴研究现状  13-14
  1.3 电主轴磁场研究现状  14-18
    1.3.1 电磁振动及噪声研究现状  14-16
    1.3.2 不平衡磁拉力研究现状  16-17
    1.3.3 损耗研究现状  17-18
  1.4 研究内容  18-21
第二章电主轴电磁场解析计算  21-29
  2.1 气隙磁密及其产生的径向力计算  21-24
    2.1.1 气隙磁导和定转子绕组的磁势  21-22
    2.1.2 气隙磁密  22-23
    2.1.3 气隙磁密产生的径向力波  23-24
  2.2 气隙偏心引起的力波阶数  24-25
  2.3 气隙偏心引起的不平衡磁拉力  25-27
  2.4 计算170SD30陶瓷电主轴的力波阶数  27-28
  2.5 本章小结  28-29
第三章电主轴电磁力有限元计算  29-53
  3.1 有限元法计算电主轴磁场的基本原理  29-36
    3.1.1 电磁场基本理论  29-31
    3.1.2 电主轴磁场有限元计算  31-35
    3.1.3 有限元建模及分析过程  35-36
  3.2 空负载条件下径向力计算  36-46
    3.2.1 变频器控制原理  36-39
    3.2.2 空载磁场分析及径向力计算  39-43
    3.2.3 负载磁场分析及径向力计算  43-46
  3.3 不同条件下不平衡磁拉力的计算  46-50
    3.3.1 不同气隙偏心下不平衡磁拉力计算  47-48
    3.3.2 不同定子电流下不平衡磁拉力计算  48-50
  3.4 不平衡磁拉力对主轴挠度影响  50-51
  3.5 本章小结  51-53
第四章电主轴损耗分析  53-63
  4.1 电主轴损耗计算原理  53-56
    4.1.1 解析法计算损耗基本原理  53-55
    4.1.2 有限元法计算损耗基本原理  55-56
  4.2 电主轴损耗仿真  56-61
    4.2.1 正弦电源供电时电主轴空载损耗仿真  57-58
    4.2.2 逆变器供电时电主轴空载损耗仿真  58-60
    4.2.3 逆变器供电时电主轴负载损耗仿真  60-61
  4.3 本章小结  61-63
第五章电主轴振动及损耗实验  63-75
  5.1 电主轴的振动实验  63-69
    5.1.1 电主轴定子固有频率计算  63-65
    5.1.2 定子铁心模态分析  65-66
    5.1.3 电主轴振动实验系统  66-67
    5.1.4 电主轴振动实验及结果分析  67-69
  5.2 电主轴加载损耗实验  69-74
    5.2.1 测功机原理及分类  70
    5.2.2 电主轴加载系统实验装置  70-72
    5.2.3 电主轴损耗实验及结果分析  72-74
  5.3 本章小结  74-75
第六章结论  75-77
  6.1 结论  75
  6.2 展望  75-77
参考文献  77-81
作者简介  81
作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文  81-83
致谢  83

陶瓷电主轴电磁力及损耗分析

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