高速電主軸電動機—主軸系統的機電耦合動力學建模

張廣宇

摘 要：隨著經濟的發展，我國的制造業呈現出較為明顯的發展形勢，提高生產效率成為各個方面關注的重點，實現高速加工能夠使這個問題得到較好的緩解。想要實現這個目的，就需要選用高速機床。高速電主軸是數控機床的核心部分，具備強耦合性質。實際上，其在機電能量轉換中，可以體現出機電耦合性質，能夠對高速電主軸產生較為重要的影響，針對其進行動力學模型構建具有較為重要的現實作用。

關鍵詞：高速電主軸電動機；主軸系統；機電耦合

機電耦合系統具有機械與電磁的共同特性，其本身運作也涉及到兩者之間的轉換。這種特性在各類機電系統中十分常見。一般情況下，其本身運作頻率和速度相對較為低下，可以忽視其電磁輻射。但是，這種情況并不絕對，一旦其頻率或速度達到一定程度，就會在發揮作用的過程中，產生相對較強的電磁輻射。

一、高速電主軸機電耦合分析

從機電耦合的方向對高速電主軸進行分析，主要目的是為了對其動態性能進行較為必要的研究。事實證明，此研究不僅具有重要的現實意義，也會在工程施工的過程中發揮重要的作用。

1.方法與內容

在工程當中，機電耦合傳動系統是各個部分的有機組合，具體來說，其兩個主要組成部分分別為電機與機械傳動軸。由此可見，只要系統組成的兩個部分存在，就會出現相應的機電耦合。當前，其傳動方式主要針對電機與負載進行添加，使其能夠具備傳動功能，比如鏈條、皮帶等。同時，負載和電機之間能夠直接實現耦合過程。這種運作方式能夠產生較強的現實意義，避免故障及磨損的發生。

高速電動主軸傳動方式屬于直接耦合。其本身與主軸本身存在一定關聯，在構成方面體現出較為復雜的特性。其內部包含各個部分的子系統，在運作過程中存在較多繁復耦合關系。針對其進行建模考量可以運用分解協調法。在這個過程中，比較容易出現各個部分之間的耦合變量存在較為明顯差異的情況。針對這種情況，便需要運用統一原則針對其存在的差異進行消除，使其能夠較好地符合現實情況。通過此形式便可以使得各個部分之間的優化結果得到確認。然后，需要確定電主軸系統中的變量類別劃分，使其能夠較好地滿足要求，便可以針對耦合情形的結構已經擾動效應進行探索，進而確定處理與之有關的各種參數的對策，如此便可以實現高速電主軸機電耦合的處理。

2.存在的問題

但是，針對這些問題進行探索的過程中，需要面對較多問題，如病態剛性方程。從整體對問題進行分析的過程中，耦合變量過多會導致系統變量隨之變得相對繁復，對于結果的確定存在一定的干擾，使得整個探索過程的難度增加。針對首個問題進行分析可知，可以選擇不同類型的速度變量，運用差異性數值積分法與其進行搭配實現整個求解過程。其后的問題可以通過信息技術的不斷發展獲得相應的答案。其實，對于最后一個問題而言，也可以秉持科學理念，運用合理方式對其進行必要的解決。

二、高速電主軸電動機—主軸系統的機電耦合模型構建

1.原理與方法

系統中可能包含集中參數旋轉電機，其運動表達式主要涉及電氣和機械兩個方面。其中電氣方程與電壓和磁場有關，而機械方程則包括電磁轉矩與機械轉矩方程。

構建相應表達式的方法通常為動態耦合電路法、變分原理法以及傳統法。其中，第一種方法將系統當作一個電路，本身具備較強的動態性質，運用各種理論對其進行限定，然后建立起相應的表達式。這種類型的表達式具有便于理解的特點，能夠從物理角度將所要表達的思想進行較為明確的確認。但是，其在使用的過程中存在一定程度的弊端，針對構成相對較為繁復的系統而言，想要對其進行建立，需要花費的時間相對較長，具備較高的時間成本。第二種方式具備一定程度的積分性質，而第三種方法則會在應用的過程中體現出較為抽象的特點，表達式難以理解。

2.模型構建

課題按照動力學分析原理構建出物理以及數學兩種類型的模型。其中物理方面的模型可以針對其內部的各個環節進行必要分析，將轉子轉速以及三項電流等系數進行必要研究，進而刻畫出相應的物理模型。在模型建立的過程中，需要設定相應的前提條件，雖然磁飽和與鐵芯耗損會對模型產生一定的影響，但是仍然需要對其進行排除，也要忽視溫度等方面的影響，通過確定坐標并綜合各項參數便可以確定相應的方程。

事實證明，建立模型能夠較好地解決問題，鐵芯損耗等因素會對模型的精度產生擾動作用。磁場的穩定度也存在一定的擾動作用，會對電主軸的能量變化以及動力學參數發揮重要作用。

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