磁悬浮主轴设计论文_本科论文.doc

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1、济南大学毕业设计1前言1.1高速切削简介高速切削的概念被提出后，经过了长期探索研究与发展后，才在近十几年被广泛应用在机械加工过程中。高速切削作为一种新兴的先进机械加工技术，与传统的机械加工技术相比，其具有一系列的优点。它集高效率、高加工精度、低功耗等于一体。高速切削解决了常规切削加工中一些长期存在而无法解决的问题，例如由于机械加工过程中，刀具的切削量很小，产生的切削热比较少并且绝大部分切削热被切屑及时带走，从而提高了刀具的切削寿命；随着切削速度的提高，在单位时间内被加工材料的去除率有了很大的提高，进而减少了切削

2、时间，提高了工件的加工效率；高速切削的进给量小，因而切削力也就相对要小，而且形成的切屑能够在很短的时间内被排出，切削过程所产生的热量在还没有传导至刀具时，就被切屑带走了，这样就降低了刀具及工件上的切削热；由于高速切削可以达到很高的加工精度，所以在某些场合可以实现以车代铣、以铣代磨等工序。这些优点极大地缩短了产品的制造周期，这在竞争日益激烈的当代是很有发展前途的。1.2磁悬浮轴承简介磁悬浮轴承也被人们称为磁力轴承，它是一种靠磁场力来承受载荷或将转子悬浮起来的一种新型的支承形式，根据不同的工作原理可将磁悬浮轴承系统

3、分为三大类：主动磁悬浮轴承、被动磁悬浮轴承和混合式磁悬浮轴承。主动磁悬浮轴承是利用可控电磁力来悬浮主轴转子的，它有主动电子控制系统；被动磁悬浮轴承是利用磁场本身的特性使主轴转子悬浮，它没有主动电子控制系统，其应用最多的是永磁轴承；混合式磁悬浮轴承是由主动磁悬浮轴承和被动磁悬浮轴承以及其他一些必要的辅助支撑共同组合而成的，它既有主动磁轴承的优点也有被动磁轴承的优点。为了便于设计制造，本设计中采用主动磁悬浮轴承磁悬浮轴承具有一系列的优点：定子与转子之间无接触，因而无摩擦，且功耗低，可以使主轴实现高速旋转；无需润滑和

4、密封，因而可以简化系统结构的设计；支撑精度比一般的接触式轴承还高，工作稳定可靠。但是，其支撑刚度比接触式轴承要低，而且结构复杂，需要专门的控制系统，主轴上还要设计增加位移传感器，成本较高。虽然磁悬浮轴承由多个磁极构成，但是为便于研究【2】，我们仍然可以将其简化为下图所示结构。-21-济南大学毕业设计图1.1磁悬浮轴承简化模型根据麦克斯韦电磁力公式，我们可以得到磁悬浮定子与其转子之间的电磁吸引力为F=B02*A0/μ0…………………………………（1.1）式中B0——气隙中的磁感应强度（单位T）A0——定子与转子铁

5、心间气隙的横截面积（单位m2）μ0——空气磁导率（单位H/m，μ0=4*10-7H/m）由安培环路定理我们可以推出B0=N*i*μ0/(2*x0)……………..…………..（1.2）式中N——磁悬浮线圈绕组的匝数i——磁悬浮线圈中通过的电流（单位A）x0——磁悬浮轴承定子与其转子铁心间气隙的长度（单位m）将式（2）代入式（1）可得F=μ0N2Ai2/（4x02）……………..…….….….（1.3）令k=μ0N2A/4………………….……..………..（1.4）则（3）式可写为F=k*i2/x02…………………

6、....….………….（1.5）由式（4）可知，k值完全取决于磁悬浮轴承的结构参数，因此当磁悬浮轴承的结构一定时，k即为常数。由式（5）可知磁悬浮轴承的定子与转子间的电磁吸力的大小除与其本身结构参数有关外，还与线圈中电流的平方成正比，与气隙值的平方成反比。1.3选题目的与意义随着科学技术的进步与发展，高速切削在航空航天，汽车模具等需要高精度的机加工领域得以迅速的发展[3]，因为高速切削可以实现工件加工的高精度以及加工过程的干切削，因此它在某种程度上改变了材料加工的现状，极大的提高了材料加工的效率，在许多情况下，

7、其加工精度可以实现以铣代磨、以车代铣[4]-21-济南大学毕业设计。然而，机床高速切削的实现，不仅需要有高速进给系统和高速切削刀具系统作为支撑，机床主轴的高速化也是一个不可或缺的重要条件。为了比较容易的获得主轴高速，我们可以用采用了磁悬浮轴承的高速电主轴来实现主轴高速化。高速切削在工业加工领域的应用，可以提高生产效率，降低生产成本，节约能源，对国民经济起到极大的促进作用。磁悬浮轴承具有一系列的优点，例如，它无机械接触，因而无磨损且不需润滑，并且轴承功耗低。但是，我国磁悬浮技术在这方面的应用较少，并且随着十二五规

8、划的实施，高效节能环保的新型工业生产方式，将会有更大的应用与发展的空间。1.4主要设计内容及技术要求1.4.1电磁轴承结构研究电磁悬浮轴承[5]主要由机械部分，气隙检测部分和电磁力控制部分构成。其机械部分主要由外套筒和转轴两部分组成，外套筒安装在基座上，电磁铁安装在外套筒内部，转轴部分则主要由硅钢片和软铁等铁磁材料制成。在外套筒内部安装若干个位置传感器，当主轴受到外力作用而偏离中心平衡