高速电主轴电动机—主轴系统的机电耦合动力学建模

张广宇

摘 要：随着经济的发展，我国的制造业呈现出较为明显的发展形势，提高生产效率成为各个方面关注的重点，实现高速加工能够使这个问题得到较好的缓解。想要实现这个目的，就需要选用高速机床。高速电主轴是数控机床的核心部分，具备强耦合性质。实际上，其在机电能量转换中，可以体现出机电耦合性质，能够对高速电主轴产生较为重要的影响，针对其进行动力学模型构建具有较为重要的现实作用。

关键词：高速电主轴电动机；主轴系统；机电耦合

机电耦合系统具有机械与电磁的共同特性，其本身运作也涉及到两者之间的转换。这种特性在各类机电系统中十分常见。一般情况下，其本身运作频率和速度相对较为低下，可以忽视其电磁辐射。但是，这种情况并不绝对，一旦其频率或速度达到一定程度，就会在发挥作用的过程中，产生相对较强的电磁辐射。

一、高速电主轴机电耦合分析

从机电耦合的方向对高速电主轴进行分析，主要目的是为了对其动态性能进行较为必要的研究。事实证明，此研究不仅具有重要的现实意义，也会在工程施工的过程中发挥重要的作用。

1.方法与内容

在工程当中，机电耦合传动系统是各个部分的有机组合，具体来说，其两个主要组成部分分别为电机与机械传动轴。由此可见，只要系统组成的两个部分存在，就会出现相应的机电耦合。当前，其传动方式主要针对电机与负载进行添加，使其能够具备传动功能，比如链条、皮带等。同时，负载和电机之间能够直接实现耦合过程。这种运作方式能够产生较强的现实意义，避免故障及磨损的发生。

高速电动主轴传动方式属于直接耦合。其本身与主轴本身存在一定关联，在构成方面体现出较为复杂的特性。其内部包含各个部分的子系统，在运作过程中存在较多繁复耦合关系。针对其进行建模考量可以运用分解协调法。在这个过程中，比较容易出现各个部分之间的耦合变量存在较为明显差异的情况。针对这种情况，便需要运用统一原则针对其存在的差异进行消除，使其能够较好地符合现实情况。通过此形式便可以使得各个部分之间的优化结果得到确认。然后，需要确定电主轴系统中的变量类别划分，使其能够较好地满足要求，便可以针对耦合情形的结构已经扰动效应进行探索，进而确定处理与之有关的各种参数的对策，如此便可以实现高速电主轴机电耦合的处理。

2.存在的问题

但是，针对这些问题进行探索的过程中，需要面对较多问题，如病态刚性方程。从整体对问题进行分析的过程中，耦合变量过多会导致系统变量随之变得相对繁复，对于结果的确定存在一定的干扰，使得整个探索过程的难度增加。针对首个问题进行分析可知，可以选择不同类型的速度变量，运用差异性数值积分法与其进行搭配实现整个求解过程。其后的问题可以通过信息技术的不断发展获得相应的答案。其实，对于最后一个问题而言，也可以秉持科学理念，运用合理方式对其进行必要的解决。

二、高速电主轴电动机—主轴系统的机电耦合模型构建

1.原理与方法

系统中可能包含集中参数旋转电机，其运动表达式主要涉及电气和机械两个方面。其中电气方程与电压和磁场有关，而机械方程则包括电磁转矩与机械转矩方程。

构建相应表达式的方法通常为动态耦合电路法、变分原理法以及传统法。其中，第一种方法将系统当作一个电路，本身具备较强的动态性质，运用各种理论对其进行限定，然后建立起相应的表达式。这种类型的表达式具有便于理解的特点，能够从物理角度将所要表达的思想进行较为明确的确认。但是，其在使用的过程中存在一定程度的弊端，针对构成相对较为繁复的系统而言，想要对其进行建立，需要花费的时间相对较长，具备较高的时间成本。第二种方式具备一定程度的积分性质，而第三种方法则会在应用的过程中体现出较为抽象的特点，表达式难以理解。

2.模型构建

课题按照动力学分析原理构建出物理以及数学两种类型的模型。其中物理方面的模型可以针对其内部的各个环节进行必要分析，将转子转速以及三项电流等系数进行必要研究，进而刻画出相应的物理模型。在模型建立的过程中，需要设定相应的前提条件，虽然磁饱和与铁芯耗损会对模型产生一定的影响，但是仍然需要对其进行排除，也要忽视温度等方面的影响，通过确定坐标并综合各项参数便可以确定相应的方程。

事实证明，建立模型能够较好地解决问题，铁芯损耗等因素会对模型的精度产生扰动作用。磁场的稳定度也存在一定的扰动作用，会对电主轴的能量变化以及动力学参数发挥重要作用。

参考文献：

[1]康辉民，陈小安，陈文曲，等.耦合电压对高速电主轴动态性能的影响[J].机械工程学报，2011（7）：115-116.

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