高速電主軸電動機—主軸系統(tǒng)的機電耦合動力學建模

張廣宇

摘 要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國的制造業(yè)呈現(xiàn)出較為明顯的發(fā)展形勢，提高生產(chǎn)效率成為各個方面關(guān)注的重點，實現(xiàn)高速加工能夠使這個問題得到較好的緩解。想要實現(xiàn)這個目的，就需要選用高速機床。高速電主軸是數(shù)控機床的核心部分，具備強耦合性質(zhì)。實際上，其在機電能量轉(zhuǎn)換中，可以體現(xiàn)出機電耦合性質(zhì)，能夠?qū)Ω咚匐娭鬏S產(chǎn)生較為重要的影響，針對其進行動力學模型構(gòu)建具有較為重要的現(xiàn)實作用。

關(guān)鍵詞：高速電主軸電動機；主軸系統(tǒng)；機電耦合

機電耦合系統(tǒng)具有機械與電磁的共同特性，其本身運作也涉及到兩者之間的轉(zhuǎn)換。這種特性在各類機電系統(tǒng)中十分常見。一般情況下，其本身運作頻率和速度相對較為低下，可以忽視其電磁輻射。但是，這種情況并不絕對，一旦其頻率或速度達到一定程度，就會在發(fā)揮作用的過程中，產(chǎn)生相對較強的電磁輻射。

一、高速電主軸機電耦合分析

從機電耦合的方向?qū)Ω咚匐娭鬏S進行分析，主要目的是為了對其動態(tài)性能進行較為必要的研究。事實證明，此研究不僅具有重要的現(xiàn)實意義，也會在工程施工的過程中發(fā)揮重要的作用。

1.方法與內(nèi)容

在工程當中，機電耦合傳動系統(tǒng)是各個部分的有機組合，具體來說，其兩個主要組成部分分別為電機與機械傳動軸。由此可見，只要系統(tǒng)組成的兩個部分存在，就會出現(xiàn)相應(yīng)的機電耦合。當前，其傳動方式主要針對電機與負載進行添加，使其能夠具備傳動功能，比如鏈條、皮帶等。同時，負載和電機之間能夠直接實現(xiàn)耦合過程。這種運作方式能夠產(chǎn)生較強的現(xiàn)實意義，避免故障及磨損的發(fā)生。

高速電動主軸傳動方式屬于直接耦合。其本身與主軸本身存在一定關(guān)聯(lián)，在構(gòu)成方面體現(xiàn)出較為復(fù)雜的特性。其內(nèi)部包含各個部分的子系統(tǒng)，在運作過程中存在較多繁復(fù)耦合關(guān)系。針對其進行建?？剂靠梢赃\用分解協(xié)調(diào)法。在這個過程中，比較容易出現(xiàn)各個部分之間的耦合變量存在較為明顯差異的情況。針對這種情況，便需要運用統(tǒng)一原則針對其存在的差異進行消除，使其能夠較好地符合現(xiàn)實情況。通過此形式便可以使得各個部分之間的優(yōu)化結(jié)果得到確認。然后，需要確定電主軸系統(tǒng)中的變量類別劃分，使其能夠較好地滿足要求，便可以針對耦合情形的結(jié)構(gòu)已經(jīng)擾動效應(yīng)進行探索，進而確定處理與之有關(guān)的各種參數(shù)的對策，如此便可以實現(xiàn)高速電主軸機電耦合的處理。

2.存在的問題

但是，針對這些問題進行探索的過程中，需要面對較多問題，如病態(tài)剛性方程。從整體對問題進行分析的過程中，耦合變量過多會導致系統(tǒng)變量隨之變得相對繁復(fù)，對于結(jié)果的確定存在一定的干擾，使得整個探索過程的難度增加。針對首個問題進行分析可知，可以選擇不同類型的速度變量，運用差異性數(shù)值積分法與其進行搭配實現(xiàn)整個求解過程。其后的問題可以通過信息技術(shù)的不斷發(fā)展獲得相應(yīng)的答案。其實，對于最后一個問題而言，也可以秉持科學理念，運用合理方式對其進行必要的解決。

二、高速電主軸電動機—主軸系統(tǒng)的機電耦合模型構(gòu)建

1.原理與方法

系統(tǒng)中可能包含集中參數(shù)旋轉(zhuǎn)電機，其運動表達式主要涉及電氣和機械兩個方面。其中電氣方程與電壓和磁場有關(guān)，而機械方程則包括電磁轉(zhuǎn)矩與機械轉(zhuǎn)矩方程。

構(gòu)建相應(yīng)表達式的方法通常為動態(tài)耦合電路法、變分原理法以及傳統(tǒng)法。其中，第一種方法將系統(tǒng)當作一個電路，本身具備較強的動態(tài)性質(zhì)，運用各種理論對其進行限定，然后建立起相應(yīng)的表達式。這種類型的表達式具有便于理解的特點，能夠從物理角度將所要表達的思想進行較為明確的確認。但是，其在使用的過程中存在一定程度的弊端，針對構(gòu)成相對較為繁復(fù)的系統(tǒng)而言，想要對其進行建立，需要花費的時間相對較長，具備較高的時間成本。第二種方式具備一定程度的積分性質(zhì)，而第三種方法則會在應(yīng)用的過程中體現(xiàn)出較為抽象的特點，表達式難以理解。

2.模型構(gòu)建

課題按照動力學分析原理構(gòu)建出物理以及數(shù)學兩種類型的模型。其中物理方面的模型可以針對其內(nèi)部的各個環(huán)節(jié)進行必要分析，將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及三項電流等系數(shù)進行必要研究，進而刻畫出相應(yīng)的物理模型。在模型建立的過程中，需要設(shè)定相應(yīng)的前提條件，雖然磁飽和與鐵芯耗損會對模型產(chǎn)生一定的影響，但是仍然需要對其進行排除，也要忽視溫度等方面的影響，通過確定坐標并綜合各項參數(shù)便可以確定相應(yīng)的方程。

事實證明，建立模型能夠較好地解決問題，鐵芯損耗等因素會對模型的精度產(chǎn)生擾動作用。磁場的穩(wěn)定度也存在一定的擾動作用，會對電主軸的能量變化以及動力學參數(shù)發(fā)揮重要作用。

參考文獻：

[1]康輝民，陳小安，陳文曲，等.耦合電壓對高速電主軸動態(tài)性能的影響[J].機械工程學報，2011（7）：115-116.

[2]劉文芝，武建新.數(shù)控工作臺機電耦合動力學分析與優(yōu)化[J].機械設(shè)計，2010（3）：123-124.

[3]陳小安，康輝民，合燁，等.無速度傳感器矢量控制下高速電主軸動態(tài)性能分析[J].機械工程學報，2010（7）：156-157.