【摘要】：磁軸承具有無摩擦磨損、無需潤滑、轉(zhuǎn)速高、精度高、壽命長等許多突出優(yōu)點(diǎn),在高速機(jī)床電主軸系統(tǒng)中具有潛在應(yīng)用前景。磁軸承從根本上改變了傳統(tǒng)的支承方式,為高速電主軸系統(tǒng)技術(shù)水平的提高創(chuàng)造了有利條件。由于目前國內(nèi)外對磁軸承的研究多為主動的直流控制式磁軸承,而直流功放相對于逆變器成本較高。根據(jù)無軸承電機(jī)的原理,本課題組研究設(shè)計(jì)了新型的交流二自由度混合磁軸承和集徑向、軸向控制于一體的交直流三自由度混合磁軸承,均采用交流功率逆變器提供徑向控制電流。 本論文工作是在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“交流混合磁軸承支承高速機(jī)床電主軸系統(tǒng)研究”(50575099)和國家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目“基于無軸承永磁同步電機(jī)的機(jī)器人伺服驅(qū)動系統(tǒng)”(2007AA04Z213)的聯(lián)合資助下開展的。論文在研究五自由度交流混合磁軸承支承高速電主軸的整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并優(yōu)化了交流二自由度混合磁軸承和交直流三自由度混合磁軸承的機(jī)械結(jié)構(gòu)和磁路結(jié)構(gòu);構(gòu)建了五自由度交流混合磁軸承支承高速電主軸的數(shù)字控制系統(tǒng);對高速機(jī)床電主軸的五自由度懸浮支承技術(shù)進(jìn)行了基礎(chǔ)理論和典型試驗(yàn)研究,具體研究內(nèi)容如下: 1.介紹了交流混合磁軸承系統(tǒng)的工作原理;在分析了幾種典型磁軸承的結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上,闡述了交流混合磁軸承參數(shù)設(shè)計(jì)方法和步驟;設(shè)計(jì)了2種五自由度交流混合磁軸承支承的高速電主軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)。 2.分別對用于高速電主軸懸浮支承的交流二自由度混合磁軸承和交直流三自由度混合磁軸承進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化,采用等效磁路法對2種磁軸承的磁路進(jìn)行了推算,導(dǎo)出了懸浮力計(jì)算公式及數(shù)學(xué)模型。依據(jù)數(shù)學(xué)模型,分別提出了交流二自由度混合磁軸承和交直流三自由度混合磁軸承的控制策略,給出了相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。采用仿真軟件MATLAB對各自懸浮力的非線性和交叉耦合性特性進(jìn)行了仿真分析;采用有限元分析軟件ANSOFT對軸承的機(jī)械結(jié)構(gòu)和磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析,驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可行性。 3.采用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片作為五自由度交流混合磁軸承系統(tǒng)的數(shù)字控制器,設(shè)計(jì)了五自由度交流混合磁軸承的數(shù)字控制系統(tǒng),研制了位移接口電路、DSP開發(fā)板、功率驅(qū)動電路等硬件電路;設(shè)計(jì)了相關(guān)軟件,給出了相關(guān)的程序流程圖。 4.以交流二自由度混合磁軸承為研究對象,對五自由度交流混合磁軸承支承高速電主軸系統(tǒng)進(jìn)行了典型試驗(yàn)研究,給出了試驗(yàn)調(diào)試的方法和步驟,開發(fā)設(shè)計(jì)了基于可視化窗口的VB調(diào)試界面;分別進(jìn)行了起浮試驗(yàn)、穩(wěn)定懸浮試驗(yàn)、抗干擾試驗(yàn)等;給出了相關(guān)的位移波形圖和電流波形圖,并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析,給出了試驗(yàn)結(jié)論,驗(yàn)證了理論的正確性。 理論研究與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本論文設(shè)計(jì)的用于高速機(jī)床電主軸懸浮支承的五自由度交流混合磁軸承系統(tǒng),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、參數(shù)設(shè)計(jì)正確,構(gòu)建的數(shù)字控制系統(tǒng)控制性能良好。
【圖文】：

傳統(tǒng)的磁浮電主軸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子由3個(gè)直流主動磁軸承來支承，其中2個(gè)徑向磁軸承，每個(gè)徑向磁軸承控制徑向相互垂直的2個(gè)方向，另l個(gè)軸向推力磁軸承控制軸向自由度，如圖1.1所示;采用直流控制，直流功率放大器價(jià)格高，體積大，1個(gè)徑向磁軸承通常需要4路單極性(或2路雙極性)功率放大電路，從而直接導(dǎo)致了磁軸承支承的電主軸系統(tǒng)體積大、功耗高、造價(jià)昂貴，大大限制了其應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在航空航天及軍事應(yīng)用領(lǐng)域19一’3]。軸向磁軸承徑向磁軸承高速電機(jī)徑向磁軸承{握三馨叁圖1.1五白由度磁軸承支承的高速電主軸結(jié)構(gòu)示意圖

1.3.1磁軸承系統(tǒng)構(gòu)成及其工作原理一個(gè)完整的磁軸承系統(tǒng)由轉(zhuǎn)子，，電磁鐵，控制器，功率放大器、帶位移傳感器的位移檢測電路等部分組成12’一24]，如圖1.2所示為單自由度主動直流磁軸承差動控制系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理示意圖。由圖1.2可知，該磁軸承系統(tǒng)由2個(gè)電磁鐵控制1個(gè)自由度，電磁鐵的偏磁電流相同為i0，假設(shè)轉(zhuǎn)子由于擾動向下偏移一個(gè)很小的距離x0，傳感器檢測出懸浮球偏移平衡位置的位移偏移量x。，位置控制器將此位移變換成控制信號份，電磁鐵(a)的控制電流ic+為l’0+l’u經(jīng)功率放大器轉(zhuǎn)換后而得，由于控制電流增加，使氣隙磁通量增大，因而電磁鐵(a)產(chǎn)生的磁
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號】：TH133.3

【參考文獻(xiàn)】

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2 龍志強(qiáng),王水泉,楊泉林;徑向磁軸承電磁參數(shù)的計(jì)算[J];磁性材料及器件;2000年05期

3 朱q

本文編號：2596314