磁軸承是利用磁場(chǎng)力將轉(zhuǎn)子懸浮于空間,實(shí)現(xiàn)定子和轉(zhuǎn)子之間沒(méi)有機(jī)械接觸的一種新型高性能軸承,具有無(wú)摩擦磨損、無(wú)需潤(rùn)滑和密封、轉(zhuǎn)速高、精度高、壽命長(zhǎng)等許多突出優(yōu)點(diǎn),在數(shù)控機(jī)床等機(jī)械加工領(lǐng)域中具有潛在應(yīng)用價(jià)值。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)磁軸承的研究多為直流式磁軸承,而直流開(kāi)關(guān)功率放大器相對(duì)于交流逆變器來(lái)說(shuō)其體積大、功耗大及成本高。論文研究設(shè)計(jì)了新型的三相交流主動(dòng)磁軸承和集徑向、軸向控制于一體的徑向-軸向共用偏磁電流主動(dòng)磁軸承,均采用三相功率逆變器提供徑向控制電流,大大減小了功率放大器體積,降低了功率損耗,降低了成本,三自由度主動(dòng)磁軸承利用軸向線圈同時(shí)為軸向和徑向提供偏磁磁通,大大提高了磁軸承徑向的承載力。在此基礎(chǔ)上,論文設(shè)計(jì)了用于支承高速電主軸的五自由度磁軸承樣機(jī)以及數(shù)字控制系統(tǒng),為電主軸進(jìn)入實(shí)用化研究奠定了基礎(chǔ)。文章主要研究工作如下: 首先,設(shè)計(jì)了用于高速電主軸懸浮支承的三相交流主動(dòng)磁軸承和徑向-軸向共用偏磁電流的主動(dòng)磁軸承,采用等效磁路法對(duì)兩種磁軸承的磁路進(jìn)行了計(jì)算,導(dǎo)出了其徑向和軸向懸浮力數(shù)學(xué)模型。依據(jù)數(shù)學(xué)模型及性能要求,給出了相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的方法。采用仿真軟件MATLAB對(duì)各自懸浮力的非線性和耦合性特性進(jìn)行了仿真分析,采用ANSOFT軟件對(duì)磁軸承的機(jī)械結(jié)構(gòu)和磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析,并分別提出了兩種新型磁軸承的控制策略。 其次,在MATLAB/SIMULINK仿真環(huán)境下,構(gòu)建了徑向-軸向共用偏磁電流的主動(dòng)磁軸承控制系統(tǒng)仿真模型,并進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明,采用分散的PID對(duì)各自由度進(jìn)行控制,系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。 最后,采用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片作為五自由度交流磁軸承系統(tǒng)的數(shù)字控制器,設(shè)計(jì)了數(shù)字控制器的硬件電路以及軟件流程圖。 理論研究與仿真表明:本論文研究的用于高速機(jī)床電主軸懸浮支承的五自由度交流磁軸承系統(tǒng),結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)合理,構(gòu)建的數(shù)字控制系統(tǒng)合理。
【學(xué)位單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2010
【中圖分類】：TH133.3
【部分圖文】：

多關(guān)鍵技術(shù)，其中最主要的就是高速切削主軸系統(tǒng)，‘電主軸分為車削電主軸、銑床電主軸和磨削電主軸，另外還有組合機(jī)床使用的多功能電主軸等多種類型。在5自由度磁軸承一轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中裝上高速電機(jī)就成為磁懸浮支承電主軸，如圖1.2所示。眾所周知，由于提高生產(chǎn)率和加工精度的市場(chǎng)需求，機(jī)床電主軸近年來(lái)向著高速、高精度方向迅速發(fā)展。目前的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)切削速度超過(guò)一個(gè)臨界值以后會(huì)出現(xiàn)切削力急速下降，散熱也更好的狀態(tài)。傳統(tǒng)的滾動(dòng)軸承在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于滾子的離心力和陀螺力急劇增大，造成發(fā)熱嚴(yán)重和壽命縮短，而動(dòng)靜壓軸承同樣存在液體摩擦損失、發(fā)熱和剛度問(wèn)題。磁軸承由于自身顯著的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)高剛度

三相逆變器能實(shí)現(xiàn)徑向兩個(gè)自由度的驅(qū)動(dòng)控制，可以大大降低功率損耗和制造成本。三相交流主動(dòng)磁軸承基本結(jié)構(gòu)如圖2.2所示，由轉(zhuǎn)子、定子和三個(gè)控制線圈等構(gòu)成。定子做成單片三極式結(jié)構(gòu)，三個(gè)定子磁極沿圓周均勻分布，三個(gè)控制線圈繞在三個(gè)定子磁極上，由三相功率逆變器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。圖中帶箭頭的虛線表示控制線圈通電后產(chǎn)生的磁通，其方向由控制電流方向按照右手定則確定，控制磁通在定子、氣隙與轉(zhuǎn)子之間形成回路。轉(zhuǎn)子車專車由控制線圈定子圖2.2二相交流土動(dòng)磁軸承結(jié)構(gòu)示意圖三相交流主動(dòng)磁軸承工作原理是基于無(wú)軸承電機(jī)原理，使轉(zhuǎn)矩繞組極對(duì)數(shù)尸l為O，懸浮力繞組極對(duì)數(shù)尸:為l，滿足徑向懸浮力產(chǎn)生條件尸2二尸1士1

的方向相反，從而使轉(zhuǎn)子回到徑向平衡位置。2.2.2徑向一軸向共用偏磁電流的主動(dòng)磁軸承結(jié)構(gòu)與工作機(jī)理徑向一軸向共用偏磁電流的主動(dòng)磁軸承結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.3，由軸向定子、軸向控制線圈、徑向定子、徑向控制線圈、轉(zhuǎn)子等構(gòu)成。徑向定子三個(gè)磁極沿圓周均勻分布，轉(zhuǎn)子由隔磁鋁環(huán)分隔成軸向?qū)ΨQ的2部分。工作時(shí)軸向控制線圈除了對(duì)軸向自山度控制以外，還同時(shí)為徑向和軸向提供偏磁磁通。徑向沿圓周1200均勻分布的三個(gè)控制線圈通以三相交流電產(chǎn)生可旋轉(zhuǎn)的合成磁通來(lái)控制徑向2個(gè)自由度。1.軸向控制線圈2.徑向定子3.轉(zhuǎn)子4.隔磁鋁環(huán)5.徑向控制線圈6.軸向定子圖2，3徑向一軸向共用偏磁電流的主動(dòng)磁軸承結(jié)構(gòu)圖2.4是徑向一軸向共用偏磁電流的主動(dòng)磁軸承磁路示意圖。左圖中帶箭頭的實(shí)線表示徑向控制磁通，在徑向定子、徑向氣隙與轉(zhuǎn)子之間形成回路。左圖和右圖中帶箭頭的虛線表示的是軸向控制磁通，在軸向定子、軸向氣隙、轉(zhuǎn)子、徑向氣隙以及徑向定子之間構(gòu)成回路。軸向控制線圈中的偏磁電流，為徑向一軸向磁軸承提供偏磁磁通。由圖2.4看出看到

【引證文獻(xiàn)】

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1 陳瑞;劉賢興;;五自由度磁懸浮電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真[J];電機(jī)與控制應(yīng)用;2011年11期

本文編號(hào)：2834840