空气静压电主轴是高速精密数控机床的关键部件之一,其动态特性是影响高速数控机床的加工质量和切削能力的重要因素。因此,电主轴的动特性研究,对于进一步提高高速机床的工作性能是有十分重要的现实意义。当前电主轴的动力学分析中常采用简化法来处理轴承单元的刚度问题,也就是将轴承用假设的弹簧单元来代替,利用有限元法或者传递矩阵法等数值计算法计算主轴的各阶固有频率和振型。该这方法难以解决空气轴承的非线性问题。这种非线性体现在“电机—空气轴承—主轴”耦合系统中的磁场、流体场、固体三场的动态非线性变化。为了寻求解决在这种耦合环境下空气静压电主轴动态问题相应的理论分析方法,本文以高速高精密空气静压电主轴为研究对象,采用磁流固耦合有限元分析方法,对电主轴的动态特性进行了相关的仿真分析、实验研究,主要包括:1、基于Navier-Stokes(纳维-斯托克斯)运动方程对空气静压轴承的动压效应进行分析,研究主轴在不同转速、不同载荷作用下空气静压轴承气膜动反力及气膜动刚度的非线性变化。其中气膜动反力是通过对气膜压强积分而得,这就减小了传统设计分析中对气膜动反力作弹簧单元处理所带来的误差。2、为了研究在电主轴回转情况下磁转矩的变化情况,本文采用电磁涡流场模型对电机的磁场分布和感应电流密度的分布进行有限元仿真分析。以此为基础分别从电机的磁固耦合和机械特性这两方面分析电机的磁转矩,并利用数值分析软件MATLAB对电机磁转矩机械特性及启动特性进行仿真分析。3、在空气静压轴承的流体动力学分析以及电机磁转矩的磁-固耦合分析基础上,本文研究电主轴动态特性进行磁-流-固耦合有限元分析法,建立相关的耦合动力学方程,为后续的仿真分析提供理论依据。4、以空气静压电主轴磁-流-固耦合动力学方程为基础,对电主轴动态特性进行有限元仿真分析,并采用ANSYS的编程语言APDL开发相应的分析模块。5、为了验证空气静压电主轴动力学磁流固耦合有限元仿真分析的有效性,本文对主轴静刚度测试、模态实验以及主轴空转特性进行实验研究,实验结果与仿真分析结果具有较好的一致性,这表明磁-流-固耦合动态仿真分析法是可行的。