低损耗磁悬浮电主轴的动态性能_徐欣

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1、第２９卷第２期航空动力学报Ｖｏｌ．２９Ｎｏ．２２０１４年２月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅＰｏｗｅｒＦｅｂ．２０１４文章编号：１０００－８０５５（２０１４）０２－０３４３－０７ｄｏｉ：１０．１３２２４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊａｓｐ．２０１４．０２．０１４低损耗磁悬浮电主轴的动态性能徐欣，谢振宇，龙亚文（南京航空航天大学机电学院江苏省精密与微细制造技术重点实验室，南京２１００１６）摘要：通过引入同极型径向主动磁悬浮轴承（ＡＭＢ）和轴

2、向永磁轴承（ＰＭＢ）建立了低损耗磁悬浮电主轴试验装置，给出了主要设计过程和结构参数，分析了磁悬浮电主轴的动态性能，并通过系统的高速旋转试验进行了验证．研究结果表明：该试验装置结构简单，功耗较小，能够平稳越过前２阶临界转速并在４００００ｒ／ｍｉｎ稳定运行，最大振幅为７μｍ．关键词：永磁轴承；同极型磁悬浮轴承；电主轴；固有频率；动态性能中图分类号：Ｖ２２９＋．２；ＴＨ１３３．３文献标志码：ＡＤｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌｏｗｌｏｓｓｍｏｔｏｒｉｚｅｄｓｐｉｎｄｌｅｓｕｓｐｅｎｄｅｄｂｙｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒ

3、ｉｎｇｓＸＵＸｉｎ，ＸＩＥＺｈｅｎ－ｙｕ，ＬＯＮＧＹａ－ｗｅｎ（ＪｉａｎｇｓｕＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄＭｉｃｒｏ－ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００１６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｌｏｗｌｏｓｓｍｏｔｏｒｉｚｅｄｓｐｉｎｄｌｅｓｕｓｐｅｎｄｅｄｂｙｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇ

4、ｓｗｉｔｈｔｗｏｒａｄｉａｌｈｏｍｏｐｏｌａｒａｃｔｉｖｅｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇｓ（ＡＭＢ）ａｎｄｏｎｅａｘｉａｌｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇ（ＰＭＢ）ｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄｔｈｅｍａｉｎｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅａｎｄｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙｔｈｅｏｒｅｔ－ｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓａｎｄｖｅｒｉｆｉｅ

5、ｄｂｙｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｒｏｔａｔｉｏｎｔｅｓｔｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｓｉｍｐｌｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｌｅｓｓｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ａｎｄｉｓａｂｌｅｔｏｇｅｔａｃｒｏｓｓｔｈｅｆｉｒｓｔｔｗｏｃｒｉｔｉ－ｃａｌｓｐｅｅｄｓａｎｄｏｐｅｒａｔｅａｔ４００００ｒ／ｍｉｎｓａｆｅｌｙ，ｗｉｔｈｍａｘｉｍｕｍａｍｐｌｉｔｕｄｅｏｆｔｈｅｒｏｔｏｒｕｐｔｏ７μｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇ；ｈｏｍｏｐｏｌａｒｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎ

6、ｇ；ｍｏｔｏｒｉｚｅｄｓｐｉｎｄｌｅ；ｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ当前加工机械正向着高速、高效、低损耗和低多，是磁悬浮电主轴温升的主要原因之一，这不仅［６－８］成本方向发展，磁悬浮电主轴利用磁悬浮轴承无影响加工精度，还可能导致系统工作不正常．接触、无磨损、无润滑和高转速等优点，解决了传目前已有许多国内外学者对低损耗磁悬浮轴［１－３］统电主轴难以承受高转速的问题，但存在系统承技术进行了研究，并取得了丰硕的成果．在国［４－５］复杂、发热严重和成本较高等新困扰，尤其是外，Ｓａｈｉｎ

7、ｋａｙａ等采用变偏置电流控制策略来降［９］推力磁悬浮轴承，由于制造工艺等原因只能采用低磁悬浮飞轮系统的功耗；Ｋａｓａｒｄａ等较早地［１０］实心结构，其铁耗引起的发热要比径向轴承大得对同极型磁悬浮轴承的损耗问题进行了研究．收稿日期：２０１２－１２－２６基金项目：国家自然科学基金（５１２７５２３８）；航空科学基金（２０１１ＺＢ５２０２５）；江苏省高校优势学科建设工程作者简介：徐欣（１９８６－），男，浙江金华人，硕士生，主要从事机电一体化研究．３４４航空动力学报第２９卷Ｋｉｍｍａｎ等将同极型永磁偏置磁悬浮轴承应用于［１１］２同极型

8、径向ＡＭＢ设计微型铣削电主轴，取得了良好的效果．国内，谢振宇等通过采用同极型结构和零偏置电流控制的与传统异极型磁悬浮轴承不同的是，同极型［１２］方法来降低磁悬浮轴承转子系统功耗；徐波研径向ＡＭＢ（图２）各对磁极沿轴向分布，即沿着周［１３］究了小型风力发电机用ＰＭＢ的承载特性；钱向只有Ｎ极或