永磁同步电主轴电磁力产生机理及振动特性研究

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永磁同步电主轴是高速加工技术的核心部件,电主轴的径向电磁力引起的电磁振动是影响高速电主轴加工精度的最主要原因。因此本文对永磁同步电主轴电磁力产生机理进行了深入的理论分析,结果表明存在气隙磁场中相互作用的基波磁场和一系列谐波磁场形成了径向和切向的电磁力。本文利用有限元方法研究了永磁同步电主轴的电磁力和振动特性,主要内容包括电磁场分析、模态分析、结构参数分析等几个方面。利用有限元分析软件对永磁同步电主轴二维电磁场进行了建模和求解,得到永磁同步电主轴气隙内的磁通密度、磁力线分布以及磁密云图。再通过麦克斯韦应力张量法算出作用在永磁同步电主轴定子内表面上的径向电磁力及转子表面的切向电磁力,并对其进行谐波分析和频谱分析,发现永磁同步电主轴定子齿表面的径向电磁力的低次谐波是引起其电磁振动的主要原因。利用Ansys Workbench有限元软件建立了永磁同步电主轴三维模型,对永磁同步电主轴定子铁心、端盖和整机进行模态仿真,分析其固有频率和振型。并将得到的结果与永磁同步电主轴振动径向电磁力波的频率成分进行对比,没有发现共振现象。对不同结构参数的模型永磁同步电主轴进行对比分析,总结了永磁同步电主轴的槽口宽度、槽肩高度和极弧系数等结构参数对永磁同步电主轴径向电磁力谐波和振动特性的影响规律。为了提高永磁同步电主轴电磁转矩,减小振动噪声,提出了一种楔形气隙结构。利用有限元软件对均匀气隙和楔形气隙永磁同步电主轴模型进行了仿真分析,将以上两种气隙结构模型的电主轴转矩和径向力进行了对比,得出楔形气隙结构对提高永磁同步电主轴转矩密度、减小振动噪声有明显的作用。
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