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編號
無錫太湖學院
畢業(yè)設計（論文）
題目： 萬能外圓磨床結構改進設計
--高速磨頭無軸電機設計
信機 系 機械工程及自動化 專業(yè)
學 號： 0923029
學生姓名： 馮會駿
指導教師： 韓邦華 （職稱：副教授）
（職稱： ）
2013年5月25日
無錫太湖學院本科畢業(yè)設計（論文）
誠 信 承 諾 書
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文） 萬能外圓磨床結構改進設計--高速磨頭無軸電機設計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果，其內容除了在畢業(yè)設計（論文）中特別加以標注引用，表示致謝的內容外，本畢業(yè)設計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。
班 級： 機械91
學 號： 0923029
作者姓名：
2013 年 5 月 25 日
無錫太湖學院
信機 系 機械工程及自動化 專業(yè)
畢 業(yè) 設 計論 文 任 務 書
一、 題目及專題
1、 題目 萬能外圓磨床結構改進設
2、 專題 --高速磨頭無軸電機設計
二、 課題來源及選題依據
課題來源為無錫某機械有限公司實際產品?，F代機械加工越來越需要提高效率，通常采用高速加工，主要是采用高速主軸，因而高速加工中無軸承電機的結構設計就顯得很重要，本文正是基于萬能外圓磨床適應于高速加工要求對高速主軸的無軸承電機結構設計，探尋磁懸浮在普通機床高速主軸中的應用。無軸承電機是具有磁懸浮軸承優(yōu)點的一種新型特種電機，它不僅拓展了高速電機的應用領域，如微型化、大功率等，而且其獨具的懸浮機理和結構特點使之在生物工程、航空航天、高新能源、半導體制造業(yè)、食品加工以及醫(yī)藥衛(wèi)生等領域也得到成功的應用。隨著我國經濟進一步發(fā)展，在很多特殊電氣傳動領域必將改變傳統的傳動和傳輸方式，對提高產品質量、降低成本、減少污染將會起到重要作用。因此，無軸承電機在我國具有很大的潛在應用市場，積極開展無軸承電機的研究和應用具有現實和深遠意義。
三、 本設計（論文或其他）應達到的要求
1、 無軸承電機的研究意義及現狀；
2、 無軸承電機的機械結構及零部件的設計；
I
3、 該部件工作時，能運轉正常；
4、 擬定工作機構和傳動系統的運動方案，并進行多方案對比分析；
5、 磁懸浮軸承的工作原理及數學建模；
6、設計繪制零件工作圖若干張；
7、編制設計計算說明書1份（2萬字以上）。
四、 接受任務學生：
機械 班 姓名 馮會駿
五、 開始及完成日期：
自2012年11月7日至2013年5月25日
六、 設計（論文）指導（或顧問）：
指導教師 簽名
簽名
簽名
教研室主任
〔學科組組長研究所所長〕 簽名
系主任 簽名
年 月 日
I
摘 要
本文首先介紹了萬能外圓磨床的結構及功用，并對高速加工進行了概述，進而對無軸承電機的研究現狀進行分析，并闡述了對無軸承電機研究的意義；然后從無軸承電機的總體結構入手，對無軸承電機的機械結構及零部件進行了設計；與此同時又分析了無軸承電機中永磁偏置徑向軸向磁軸承的工作原理，建立數學模型，以具體的參數要求為例，對其結構參數進行計算。最后總結全文內容，突出畢業(yè)設計工作的重點，對未來的工作進行展望。
關鍵詞：萬能外圓磨床；高速加工；無軸承電機；磁軸承；數學建模
III
Abstract
The paper introduced the construction and use of the grinding machine at first. Then study of high-speed machining, and study of non-bearing motor current situation analysis, and expounded on the significance of study of non-bearing motor; and then never start with the overall structure of the motor bearings on the non-bearing motor mechanical structure and components have been designed; At the same time and analyzed the non-bearing motor in the axial permanent magnet biased radial magnetic bearing works, a mathematical model to specific parameters required, for example, its structural parameters calculated. Last concluded full text, high-lighten the focus of graduate design work on the future work prospects.
Key words: grinding machine；High-speed machining；Bearingless Motor or Self-bearing Motor；Magnetic Bearing；Mathematical Modeling
III
目 錄
摘 要 III
Abstract IV
目 錄 VI
1 緒論 1
1.1 設計的總體要求 1
1.2 M1432A型萬能外圓磨床總體描述 2
1.2.1 機床的結構 2
1.2.2 機床的總體布局 2
1.2.3 機床的主要技術性能 3
1.2.4 機床的機械傳動系統 3
1.3 基于高速加工技術的無軸承電機研究意義與現狀 4
1.3.1 基于高速加工技術的無軸承電機研究意義 4
1.3.2 基于高速加工技術的無軸承電機研究現狀 6
1.4 無軸承電機的特點及應用 7
1.4.1 無軸承電機的特點 7
1.4.2 無軸承電機的應用 7
1.5 無軸承電機的發(fā)展前景 8
2 高速加工技術概述 9
2.1 高速加工的定義 9
2.1.1 高速加工中心的類型 9
2.1.2 高速加工的特點 9
2.2 高速加工的關鍵技術 10
2.2.1 刀具技術 10
2.2.2 機床技術 11
2.2.3 CAM軟件 12
3 高速加工技術中磁浮軸承主軸單元設計 13
3.1 引言 13
3.2 主軸單元軸承的組成 15
3.2.1 機械系統 15
3.2.2 磁軸承的偏磁回路 15
3.2.3 控制回路系統 15
3.3 永磁偏置軸承的結構及工作原理 16
3.3.1 永磁偏置軸承的基本結構 17
3.3.2 永磁偏置軸承的工作原理 18
3.4 永磁偏置軸承的設計 19
3.4.1 磁路計算的基本定律和公式羅列 20
3.4.2 永磁偏置軸承的等效磁路分析 20
3.4.3 徑向—軸向磁軸承的吸力方程 22
3.4.4 徑向—軸向磁軸承的承載能力 23
3.4.5 徑向—軸向混合磁軸承參數設計 24
3.5 懸磁軸承的參數設計與校核 27
3.5.1 選取永磁材料 27
3.5.2 確定工作氣隙磁感應強度 27
3.5.3 磁極面積的計算 27
3.5.4 求定子內徑 28
3.5.5 求磁極弧長及疊片厚度 28
3.5.6 安匝數的計算 28
3.5.7 匝數與電流的分配 28
3.5.8 線徑 28
3.5.9 窗口面積的求取 28
3.5.10 永久磁鐵參數計算 29
4 無軸承電機結構的設計 30
4.1 設計的總體概況 30
4.2 無軸承電機的結構設計 30
4.2.1 轉子結構設計 30
4.2.2 轉子上零件的布置 31
4.3 無軸承電機的總體結構設計 31
4.4 懸浮軸承的結構選擇與設計 32
4.4.1 磁懸浮軸承總體結構設計 32
4.4.2 永磁偏置徑向軸向磁軸承的總體結構設計 33
4.5 無軸承電機結構件的結構設計 33
4.5.1 定子與轉子的設計 33
4.5.2 傳感器部件的設計 34
4.5.3 機殼的設計 35
4.5.4 工作軸的設計 36
4.5.5 軸承端蓋的設計 36
5 結論與展望 38
致謝 39
參考文獻 40
VII
萬能外圓磨床結構改進設計--高速磨頭無軸電機設計
1 緒論
1.1 設計的總體要求
現代機械加工越來越需要提高效率，通常采用高速加工，主要是采用高速主軸，因而高速加工中無軸承電機的結構設計就顯得很重要，本文正是基于萬能外圓磨床適應于高速加工要求對高速主軸的無軸承電機結構設計，探尋磁懸浮在普通機床高速主軸中的應用，因其獨具的懸浮機理和結構特點使之在生物工程、航空航天、高新能源、半導體制造業(yè)、食品加工以及醫(yī)藥衛(wèi)生等領域也得到成功的應用。隨著我國經濟進一步發(fā)展，在很多特殊電氣傳動領域必將改變傳統的傳動和傳輸方式，對提高產品質量、降低成本、減少污染將會起到重要作用。因此，無軸承電機在我國具有很大的潛在應用市場，積極開展無軸承電機的研究和在普通機床上的應用具有現實和深遠意義。
外圓磨床分為普通外圓磨床和萬能外圓磨床。在普通外圓磨床上可磨削外圓柱面和外圓錐面，在萬能外圓磨床上還能磨削內圓柱面和內圓錐面和端面。外圓磨床的主要參數為最大的磨削直徑。
外圓磨床以兩頂心為中心，以砂輪為刀具，將圓柱形鋼件研磨出精密同心度的磨床（又叫頂心磨床或圓通磨床）。
外圓磨床的主機有床身、車頭車尾、磨頭、傳動吸塵裝置等部件構成。車頭、磨頭可調角度，用于修磨頂針及皮輥倒角專用夾具。
本設計就是以M1432A型萬能外圓磨床為例對原來的普通主軸進行優(yōu)化設計，采用無軸承電機進行砂輪主軸的驅動。
無軸承電機是典型的機電一體化產品，由于它具有上述諸多優(yōu)良性能及其在眾多工業(yè)領域內的應用前景，使得無軸承電機技術越來越受到國內外專家、學者的關注與重視。而我國對這一技術的研究尚不成熟，針對這種情況，我們在畢業(yè)設計中選擇了這一課題。鑒于無軸承電機不但具有磁懸浮軸承的優(yōu)點，而且比其他同功率的電機及支撐裝置，體積小、重量輕、能耗小，對于提高高速及超高速運轉機械的工作性能具有重要意義，本文就是基于這些問題提出的。對于一個典型的無軸承電機來說，它主要由機械、檢測、控制三大主要部分組成，而控制系統是整個系統的關鍵，而合理的機械結構設計又是保證承載能力要求和運行穩(wěn)定可靠的前提，所以，本設計主要對機械系統和控制系統進行分析和設計。
文中以無軸承電機的永磁偏置徑向軸向磁軸承本體結構的設計（機械部分）及控制系統為主要研究對象，設計出合理的結構參數和控制系統，并對系統的穩(wěn)定性進行簡要的分析。
第一章介紹了基于高速加工技術的無軸承電機的研究意義及現狀。此外還介紹了本設計的提出及主要內容的安排。第二章簡單介紹了一下高速加工技術的發(fā)展現狀及關鍵技術。第三章從基于高速加工技術的無軸承電機的總體結構入手，對無軸承電機的機械結構及零部件進行了設計。第四章分析了無軸承電機中永磁偏置徑向軸向磁軸承的工作原理，建立了數學模型，并以具體的參數要求為例，對其結構參數進行計算。最后總結全文內容，突出研究工作的重點，并對未來的工作進行展望。
1.2 M1432A型萬能外圓磨床總體描述
1.2.1 機床的結構
M1432A型萬能外圓磨床是普通精度等級萬能外圓磨床，主要用于磨削圓柱形和圓錐形的外圓和內孔，還可以磨削階梯軸的軸肩和端平面。
機床應達到的加工精度和表面粗糙度如表1-1 M1432A型萬能外圓磨床（最大磨削長度1000mm）的加工質量所示。
表1-1 M1432A型萬能外圓磨床（最大磨削長度1000mm）的加工質量
加工方法、工件及其裝夾方式
表面粗糙度
圓度公差
圓柱度公差
精磨外圓 工件支承在前、后尖上，不用心
架；工件尺寸：直徑60 mm 長度500mm。
Ra0.16~0.3 μm
3μm
5μm
精磨外圓 工件裝夾在夾盤上，不用中心架；工件尺寸：直徑50 mm，懸伸長度150 mm。
Ra0.16~0.32μm
5μm
精磨內孔 工件裝夾在夾盤上，不用中心架；工件尺寸：孔徑62.5 mm，長度125 mm。
Ra0.32~0.63μm
這種機床適用于工具車間、機修車間和單件、小批生產車間。由于機床自動化程度較低，磨削效率不夠高，所以，它不宜用于大批量生產車間。
1.2.2 機床的總體布局
M1432A型萬能外圓磨床由下列各主要部分組成，見圖1.1。
1、床身1：是磨床的基礎支承件，它支承著工作臺、頭架、尾架、墊板及橫向滑鞍、砂輪架等部件，使它們在工作時保持準確的相對位置。床身內腔用作液壓油的油池。
2、頭架2：用以裝夾工件，并帶動工件旋轉。
3、尾架5：尾架頂尖和頭架頂尖一起，用以支承工件。
圖1.1 M1432型萬能外圓磨床外形圖
4、工作臺8：它由上工作臺和下工作臺兩部分組成。上工作臺可繞下工作臺的心軸在水平面內調整至某一角度位置，用以磨削錐度較小的長圓錐面。工作臺面上裝有頭架和尾架，它們同工作臺一起沿床身導軌作縱向往復運動。
5、砂輪架4：用以支承并傳動高速旋轉的砂輪主軸。砂輪架裝在滑鞍6上，當需要磨削短圓錐面時，砂輪架可以調整至一定的角度位置。
6、內圓磨具3：用以支承磨內孔的砂輪主軸。內圓磨具主軸由專門的電動機驅動。
7、滑鞍6及橫向進給機構：轉動橫進給手輪7，可以使橫進給機構帶動滑鞍6及砂輪架沿床身墊板的導軌作橫向移動。也可以利用液壓裝置，使滑鞍6作周期的自動切入進給。
此外，在床身內還有液壓傳動裝置。
1.2.3 機床的主要技術性能
外圓磨床的主要參數為磨削工件的最大直徑，本機床的主參數為320 mm。
外圓磨削直徑 8～320 mm
外圓最大磨削長度 1000 mm；1500 mm ；2000 mm
內孔磨削直徑 30～100 mm
內孔最大磨削長度 125 mm
磨削工件最大重量 150kg
砂輪尺寸
外圓砂輪轉速 1670r/min
頭架主軸轉速6級： 25，50，80，112，160，224 r/min
內圓砂輪轉速 10000 r/min；15000 r/min
砂輪架電動機功率 4 kW
內圓磨電動機功率 1.1 kW
電動機總功率 6.72 kW
工作臺縱向移動速度（液壓無級調速）0.05～4m/min
機床外形尺寸（三種規(guī)格） 3200，4500，5800 kg
1.2.4 機床的機械傳動系統
M1432A型機床，除工作臺的縱向往復運動、砂輪架的快速進退及尾架頂尖套筒的縮回為液壓傳動外，其于運動都是機械傳動的。機械傳動系統如圖1.2 M1432A型萬能外圓磨床傳動系統圖所示。
頭架（帶動工件）的傳動
此傳動鏈用于實現工件的圓周進給。運動由雙速電動機驅動，經三級皮帶傳動，使頭架的撥盤撥動工件，實現圓周進給。這時，主軸本身是不旋轉的。
外圓砂輪的傳動
砂輪主軸的運動是砂輪架電動機（1440 r/min，4kw）經4根三角帶直接傳動的，使主軸獲得1670 r/min的轉速。
內圓磨具的傳動
內圓磨具主軸由電動機（2840 r/min，1.1kw）經平皮帶直接傳動。更換平皮帶輪，主軸可獲得2種轉速。
內圓磨具裝在內圓磨具支架上。為了保證工作安全，內圓磨具電動機的啟動與內圓磨具支架的位置有聯鎖的作用，只有當支架翻到磨削內圓的工作位置時，電動機才能啟動。此外，當支架翻到磨內圓位置時，砂輪架快速進退手柄就在原位置上自動聯鎖住，這時，砂輪架不能快速移動。
圖1.2 M1432A型萬能外圓磨床傳動系統圖
1.3 基于高速加工技術的無軸承電機研究意義與現狀
目前金屬切削加工仍是當今主要的機械加工方法，在機械制造業(yè)中有著重要的地位，但如何提高其效率、精度、質量成為傳統機械加工面臨的問題。20世紀90年代，以高切削速度、高進給速度和高加工精度為主要特征的高速加工（High Speed Machining，HSM）已經成為現代數控加工技術的重要發(fā)展方向之一，也是目前制造業(yè)一項快速發(fā)展的高新技術。本文即是從提高金屬切削機床主軸轉速的角度探討一下無軸承電機的結構設計，希望能起到拋磚引玉的作用。
1.3.1 基于高速加工技術的無軸承電機研究意義
無軸承電機就是從磁路上將電機和磁懸浮軸承合為一體，利用電機的鐵心同時作為磁懸浮軸承的鐵心，也稱磁懸浮電機。比起傳統電機加磁懸浮軸承的結構，它體積小，而且由于電機的磁場被用作產生懸浮力的基礎，磁懸浮電機還可以減少磁浮力所需要的電能，從而提高系統的效率。
一些精密數控機床、渦輪分子泵、小型發(fā)電機或高速飛輪儲能等裝備中需要用大功率的高速超高速電動機（以下簡稱為電機）來驅動。我們知道，電機高速運轉對機械軸承振動沖擊大，機械軸承磨損快，大幅度縮短了軸承和電機使用壽命，為此用機械軸承來支承高速電機嚴重制約著電機向更高速度和更大功率方向發(fā)展。近20多年來發(fā)展起來的磁軸承（ Magnetic Bearing ) ，是利用磁場力將轉子懸浮于空間，實現轉子和定子之間沒有機械接觸的一種新型高性能軸承。圖 1.3 是由磁軸承支承的高速電機結構示意圖。磁軸承支承的電機雖然具有突出的優(yōu)點，但在不同的應用領域依然存在如下問題：（1）電機的轉速和輸出功率難以進一步提高；（2）磁軸承需要高性能的控制器、功率放大器和多個造價較高的精密位移傳感器等，使磁軸承結構較為復雜、體積較大和成本較高，大大制約了由磁軸承支承的高速電機的使用范圍和廣泛應用。
圖1.3 磁軸承支撐的電機結構圖
所謂無軸承電機（Bearingless Motor or Self-bearing Motor），并不是說不需要軸承來支承，而是不需單獨設計或使用專門的機械軸承、氣浮或液浮軸承。由于磁軸承結構與交流電機定子結構的相似性，把磁軸承中產生徑向懸浮力的繞組疊加到電機的定子繞組上，構成無軸承電機（二自由度見圖 1.4 ) ，保證電機定子等效繞組產生的磁場極對數P1與徑向懸浮力繞組產生磁場極對數P2的關系為：，懸浮力繞組產生的磁場和電機定子繞組（或永磁體）產生的磁場合成一個整體，通過探索驅動電機轉動的旋轉力和徑向懸浮力耦合情況以及解耦方法，獨立控制電機的旋轉和轉子的穩(wěn)定懸浮，實現電機的無軸承化。
圖1.4 無軸承電機的結構示意圖
無軸承電機一方面保持磁軸承支承的電機系統壽命長、無須潤滑、無機械摩擦和磨損等優(yōu)點外，還有望突破更高轉速和大功率的限制，拓寬了高速電機的使用范圍，與磁軸承支撐的高速電機相比具有下列優(yōu)點：（1）徑向懸浮力繞組疊加到電機的定子繞組上，不占用額外的軸向空間。一方面，電機軸向長度可以設計得較短，臨界轉速可以較高，電機轉速僅受材料強度的限制，這樣無軸承電機大大拓寬了高速電機的應用領域，特別是在體積小、轉速高和壽命長的應用領域，如要求無粉塵、無潤滑、小體積環(huán)境工作的計算機硬盤驅動器、微型高速機床等；另一方面，在同樣長度的電機轉軸情況下，輸出功率將比磁軸承支承的電機有大幅度提高。（2）結構更趨簡單，維修更為方便，特別是電能消耗減少。傳統的磁軸承需要靜態(tài)偏置電流產生電磁力來維持轉子穩(wěn)定懸浮，而無軸承電機不再需要。徑向懸浮力的產生是基于電機定子繞組產生的磁場，徑向懸浮力控制系統的功耗只有電機功耗的2%—5%，這些優(yōu)點特別適用于航空航天等高科技領域。基于無軸承電機高品質的性能，廣闊的應用前景，對提高機械工業(yè)制造裝備的水平，特別是提高航空航天器工作性能無疑具有現實和深遠意義，其研究工作越來越受到國內外科技工作者的高度重視。
1.3.2 基于高速加工技術的無軸承電機研究現狀
1、無軸承電機的發(fā)展狀況
無軸承電機起源及發(fā)展在費拉里斯和特斯拉發(fā)明多相交流系統后，19世紀80年代中期，多沃羅沃爾斯基發(fā)明了三相異步電機，異步電機無需電刷和換向器，但長期高速運行，軸承維護保養(yǎng)仍是難題。
二次世界大戰(zhàn)后，直流磁軸承技術的發(fā)展，使得電機和傳動系統無接觸運行成為可能，但這種傳動系統造價很高，因為鐵磁性物體不可能在一個恒定磁場中穩(wěn)定懸浮。主動磁軸承的發(fā)明，解決了這個難題，但用主動磁軸承支承剛性轉子要在5個自由度上施加控制力，磁軸承體積大、結構復雜和造價高。
20世紀后半期，為了滿足核能開發(fā)和利用，需要用超高速離心分離方法生產濃縮鈾，磁軸承能滿足高速電機支撐要求，于是在歐洲開始了研究各種磁軸承計劃。1975年，赫爾曼申請了無軸承電機專利，專利中提出了電機繞組極對數和磁軸承繞組極對數的關系為±1.用赫爾曼提出的方案，在那個年代是不可能制造出無軸承電機的。
隨著磁性材料磁性能進一步提高，為永磁同步電機奠定了有力競爭地位。同時，隨著雙極管的應用，以及和柏林格爾提出的無損開關電路結合，能夠制造出滿足無軸承電機要求的新一代高性能超級放大器。大約在1985年，具有快速和負載能力的功率開關器件和數字信號處理器的出現，使得已經提出20多年的交流電機矢量控制技術才得以實際應用，這樣解決了無軸承電機數字控制的難題。瑞士蘇黎世聯邦工學院的比克爾在這些科技進步的基礎上，于20世紀80年代后期才首次制造出無軸承電機。
無軸承電機取得實際應用，關鍵性突破是1998年蘇黎世聯邦工學院的巴萊塔研制出無軸承永磁同步薄片電機，電機結構簡單，大大降低了控制系統費用，在很多領域具有很大應用價值。
我國已經開始重視研究無軸承電機，1999 年國家自然科學基金資助了無軸承電機的研究工作，南京航空航天大學、江蘇理工大學和沈陽工業(yè)大學得到了支持并正在開展無軸承交流電機、無軸承片狀電機等的研究。還有一些單位得到了省市有關部門基金的支持，也正在研究和探索這項高新技術。目前國內已發(fā)表了多篇綜述及理論仿真研究的文章，對無軸承電機的研究成果還未進行公開報道。
2、無軸承電機關鍵技術的研究現狀
就無軸承交流電機研究現狀來看，目前僅停留在理論和樣機實驗階段，離實用化還有一定的距離，但就研究初期成果所體現出來的優(yōu)越性足以確信其潛在的使用價值。無軸承電機的控制系統是其核心關鍵技術，決定無軸承電機能否穩(wěn)定可靠工作，目前制約其實用化的重要原因是控制問題。無軸承電機控制的困難在于該系統具有復雜的非線性強耦合特性，主要表現在（1）無軸承電機的電磁轉矩和徑向懸浮力之間存在藕合。如果不采取有效地解耦措施，無軸承電機不可能穩(wěn)定運行，因此電磁轉矩和徑向懸浮力之間解耦控制是無軸承電機的基本要求；（2）無軸承電機的控制系統的設計必須考慮因磁飽和和溫度變化等因素所引起的電機參數的變化。設計有效而實用的電機參數變化的控制系統，這也是一個難點。國外在這些方面研究中較具有代表性的方法，一種是針對無軸承異步電機和同步電機提出了一個近似線性化的基于矢量變換的控制算法來實現電磁轉矩和徑向懸浮力之間的解耦控制，但這種算法構造比較復雜，需要對多個磁鏈矢量進行控制，實現比較困難。另一種方法分析無軸承異步電機在負載條件下徑向懸浮力和電磁轉矩耦合的關系，提出了對電機電流的幅值和相角進行補償來保持旋轉磁場的平穩(wěn)轉動和幅值恒定，實現兩者之間的解耦，試驗表明提出的補償措施能實現負載條件下電機的穩(wěn)定工作，并依此針對異步電機提出個間接矢量控制方法。但目前提出的各種方法從解耦角度看，僅僅實現了電機的電磁轉矩和徑向懸浮力控制之間的靜態(tài)解耦，還未實現完全的動態(tài)解耦，要確保無軸承電機在過渡階段的穩(wěn)定運行，只有實現兩者之間的動態(tài)解耦才是根本的保證。另外文獻提出的控制方法沒有考慮電機參數的變化來設計控制算法，因此，考慮電機參數的非線性變化、磁路飽和對電機控制性能的影響，研究滿足電機動態(tài)性能要求的控制器、實現無軸承電機的電磁轉矩和徑向懸浮力控制之間的動態(tài)解耦，是無軸承交流電機的研究重要課題之一。
1.4 無軸承電機的特點及應用
1.4.1 無軸承電機的特點
無軸承電機是根據磁軸承與電機產生電磁力原理的相似性，把磁軸承中產生徑向力的繞組安裝在電機定子上，通過解耦控制實現對電機轉矩和徑向懸浮力的獨立控制。無軸承電機具有磁懸浮磁軸承所有優(yōu)點，需要免維修、長壽命運行，無菌、無污染以及有毒有害液體或氣體的傳輸是無軸承電機典型應用場合。
無軸承電機因為無需滑座，所以具有以下特征：
?。?）幾乎不產生灰塵；
?。?）能夠高速旋轉；
（3）能夠耐極低溫、真空等難以使用潤滑油的環(huán)境；
?。?）噪聲?。?
?。?）基本上無摩擦損失。因此一直是研究的熱點。
1.4.2 無軸承電機的應用
目前，無軸承電機得到了如下應用：
1）半導體工業(yè)
在蝕刻、制板、清洗或拋光等加工過程中需用腐蝕性化學液體，產品質量很大程度上取決于化學液體質量，液體輸送泵是關鍵的一個環(huán)節(jié)。像酸液、有機溶劑等腐蝕的化學液體，泵必須無污染可靠傳輸，并且泵要具有抗腐蝕和耐一定溫度的要求。傳統氣動和薄片泵壽命短，大多數耐溫最高只有100℃左右，運動閥和薄片仍然會產生少量的微粒，液體傳輸也存在著不均勻的脈動，影響了工藝處理質量。采用無軸承電機密封泵能解決傳統傳輸中存在的缺陷，大大滿足精密半導體器件生產工藝要求。目前，功率為300W的無軸承電機密封泵已經在半導體工業(yè)得到應用。
2）化工領域
放射性環(huán)境或高溫輻射環(huán)境等惡劣條件下，用無軸承電機密封泵進行廢料處理，能解決機械軸承磨損和維修的難題。在化學工業(yè)，對有效密封傳輸和生產系統的需求進一步提高，傳統的轉軸密封的密封泵，機械軸承需要潤滑，據報道80%的故障是由于密封失效引起的，20%是軸承、連接及其它故障。為了安全生產，免遭環(huán)境污染，使用無軸承電機密封泵是最佳選擇。目前，蘇黎世聯邦工學院和Sulzer泵公司合作完成了功率為30kW的無軸承密封泵樣機的研制和測試工作，進入了試運行階段。
3）生命科學領域
心臟是生命的永動機，一旦發(fā)生故障難以修復。利用人工心臟部分或全部替代心臟功能成為心臟病患者生命延續(xù)的福音。利用機械軸承的血泵會產生摩擦和發(fā)熱，使血細胞破損，引起溶血、凝血和血栓，甚至危及病人生命。蘇黎世聯邦工學院和Levitronix公司研制成功的無軸承永磁電機驅動的血泵和可以移植到人體內的心臟左心室輔助裝置已經在臨床中應用。
1.5 無軸承電機的發(fā)展前景
軸承電機，一方面具有磁懸浮軸承的優(yōu)點，如無接觸、無需潤滑及無磨損等，可以用于真空技術、無菌車間、腐蝕性介質或非常純凈介質的傳輸；另一方面電機轉速可以做得很高、功率也可以很大，特別適用于高速或超高速數控機床、渦輪分子泵、離心泵、壓縮機、飛輪儲能裝置及小型發(fā)電設備等工業(yè)領域，特別是無軸承電機比其他同功率的電機及支撐裝置，體積小、重量輕、能耗小，對于提高航空骯天器的工作性能具有重要意義。無軸承電機作為一種新型結構的電動機，發(fā)展才經歷 10 多年時間，研究水平還遠未達到系統完善的地步，但是，其研究的進程是飛速的，國外已紛紛研制出無軸承感應電機、無軸承片狀電機、無軸承同步磁阻電機、無軸承永磁同步電機等實驗樣機。無軸承感應電機已用于密封泵（ Canned Pump ）、計算機硬盤驅動裝置；無軸承片狀電機已用于人工心臟泵中，初步顯示了無軸承電機對國民經濟和人民生活質量提高等方面所起的作用，相信無軸承電機的研究成果用于機械工業(yè)、機器人及航空航天等領域會對國民經濟產生巨大的影響。
2 高速加工技術概述
高速加工概念起源于德國切削物理學家卡爾?薩洛蒙（Carl Salomon）著名的切削實驗及其物理延伸，1929年他進行了高速加工模擬實驗，1931年發(fā)表了高速加工理論，提出了高速加工假設。他認為一定的工作材料對應有一個臨界切削速度，其切削溫度最高；在常規(guī)切削范圍內切削溫度隨著切削速度的增大而升高，當切削速度達到臨界切削速度后，切削速度再增大，切削溫度反而下降，人們將該曲線稱為薩洛蒙曲線。這個理論給人們一個非常重要的啟示：加工時如果能超過圖中所示的B區(qū)，而在高速區(qū)進行切削，則有可能用現有的刀具進行高速加工，從而大大地減少加工時間，成倍地提高機床的生產率。這一理論的發(fā)現為人們提供了一種在低溫低能耗條件下實現高效率切削金屬的方法。
2.1 高速加工的定義
從高速加工技術誕生至今，人們很難為高速加工做一個明確的界定，因為高速加工并不能簡單地用切削速度這一參數來定義，在不同的技術發(fā)展時期、對不同的切削條件、用不同的切削刀具、加工不同的工件材料，其合理的切削速度是不一樣的。
從切削機理角度看，高速加工時，切削溫度應隨切削速度的增大而降低；從切削技術角度看，高速加工是以高切削速度、高進給速度和高加工精度為主要特征的加工技術，它所采用的切削參數要比傳統工藝所采用的切削參數高幾倍甚至幾十倍。因此，目前通常把切削速度比常規(guī)切削速度高5～10倍以上的切削稱為高速加工，但對于不同的材料、不同的切削方式，其高速加工的切削速度并不相同，
早期高速加工主要用于航空航天工業(yè)鋁合金零件的加工，從20世紀80年代開始，由于高速加工機床功能部件（如高速主軸、進給系統）技術取得了一定的進展及對刀具技術的深入研究，高速加工也開始應用于一般金屬零件的加工。進入90年代后，由于高速加工機床許多關鍵部件研究取得突破，機床性能有了很大的提高，同時設備價格開始下降，高速加工技術受到了許多制造企業(yè)的關注。
對于當今廣泛使用的數控機床、加工中心等投資費用較高的加工裝備，只有大幅度降低切削工時才能進一步提高其生產效率，而大幅度降低工時，只有通過提高切削速度和進給速度的方式才能實現，所以發(fā)展高速加工技術具有十分重要的意義。
2.1.1 高速加工中心的類型
高速加工機床有高速加工中心、高速車床、高速鉆床、高速銑床、高速磨床等，其中高速加工中心最為典型。按高速機床必須具備高主軸轉速和高進給速度與加速度的技術特征，通常將高速加工中心分為兩類：
以高轉速為主要特征的高速加工中心，即HSM（High Speed Machining）型，這類機床一般只具有高轉速而沒有高進給速度。
以高移動速度為主要特征的高速加工中心, 即HVM（High Velocity Machining）型，這類機床不僅具有高主軸轉速，且具有高進給速度。
2.1.2 高速加工的特點
加工效率高：
由于切削速度高，進給速度一般也提高5～10倍，這樣，單位時間材料切除率可提高3～6倍，因此加工效率大大提高。如高速銑削加工，當切削深度和每齒進給量保持不變時，進給速度可比常規(guī)銑削提高5～10倍，材料切除率可提高3～5倍。
切削力小：
傳統的切削加工采用“重切削”方式，而高速加工采用“輕切削”方式，即傳統的切削加工方式一般采用大切削深度、低進給速度進行加工，要求機床主軸在低轉速時能提供較高的扭矩，其結果是一方面切削力大，另一方面機床和工件都承受較大的力；而高速加工則采用小切削深度、高主軸轉速和高進給速度進行加工，由于切削速度高，切屑流出的速度快，減少了切屑與刀具前面的摩擦，從而使切削力大大降低。
熱變形小
高速加工過程中，由于極高的進給速度，95%的切削熱被切屑帶走，工件基本保持冷態(tài)，這樣零件不會由于溫升而導致變形。
加工精度高
高速加工機床激振頻率很高，已遠遠超出“機床-刀具-工件”工藝系統的固有頻率范圍，這使得零件幾乎處于“無振動”狀態(tài)加工；同時在高速加工速度下，積屑瘤、表面殘余應力和加工硬化均受到抑制，減小表面硬化層深度及表面層微觀組織的熱損傷，因此用高速加工的表面幾乎可與磨削相比。
簡化工藝流程
由于高速銑削的表面質量可達磨削加工的效果，因此有些場合高速加工可作為零件的精加工工序，從而簡化了工藝流程，縮短了零件加工時間。
綜上所述，高速加工是以高切削速度、高進給速度和高加工精度為主要特征的加工技術，高速加工可以縮短加工時間，提高生產效率和機床利用率；工件熱變形小，加工精度高，表面質量好；適合加工薄壁、剛性較差、容易產生熱變形的零件，加工工藝范圍廣，因此，在實際應用中，高速加工具有較好的技術經濟性。
2.2 高速加工的關鍵技術
高速加工技術的開發(fā)與研究，主要集中在刀具技術、機床技術、CAM軟件等幾個方面。
2.2.1 刀具技術
高速加工刀具必須與工件材料的化學親和力小，具有優(yōu)良的機械性能、化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，良好的抗沖擊和熱疲勞特性。高速加工通常采用具有良好熱穩(wěn)定性的硬質合金涂層刀具、立方氮化硼（CBN）、陶瓷刀具和聚晶金剛石刀具。硬質合金涂層刀具由于刀具基體具有較高的韌性和抗彎強度，涂層材料高溫耐磨性好，因此適用于高進給速度和高切削速度的場合；陶瓷刀具與金屬的化學親和力小，高溫硬度優(yōu)于硬質合金，所以它適用于切削速度和進給速度更高的場合；立方氮化硼刀具具有高硬度、良好的耐磨性和高溫化學穩(wěn)定性，適合于加工淬火鋼、冷硬鑄鐵、鎳基合金等材料；聚晶金剛石刀具的磨擦系數低、耐磨性極強，導熱性好，特別適合于加工難加工材料和粘結性強的有色金屬。
刀具夾緊技術是快速安全生產的重要保障。由于傳統的長錐刀柄不適合用于高速加工，所以在高速加工中，采用刀柄錐部和端面同時與主軸內錐孔和端面接觸的雙定位刀柄，如德國的HSK空心刀柄。這種刀柄不需要拉釘，主軸鎖緊裝置充分考慮離心力的影響，夾持力一般隨主軸轉速的提高而自動增大。
2.2.2 機床技術
性能良好的數控機床是實現高速加工的關鍵因素。從原理上說，高速加工機床與普通數控機床并沒有本質區(qū)別。但高速機床為了適應高速加工時主軸轉速高、進給速度快、機床運動部件加速度高等要求，在主軸單元、進給系統、CNC系統和機械系統等方面比普通數控機床具有更高的要求。
(1) 高速主軸
高速主軸是高速加工機床的核心部件。當主軸轉速不斷提高時，傳統的齒輪—皮帶變速主傳動系統由于本身的振動、噪聲等原因已不能適應高速加工的要求，隨著電氣傳動技術的迅速發(fā)展和在高速加工機床中的應用，高速加工機床的主傳動結構已發(fā)生了很大的變化：由內裝式電動機直接驅動代替皮帶齒輪傳動，從而將設備振動、噪聲和主軸傳動系統的轉動慣量降低到最小，提高了主軸系統的剛度和固有頻率，也將機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現了機床的“零傳動”。我們通常將這種機床主軸與主軸電動機結合在一起、實現變頻電動機與機床主軸一體化的傳動結構形式稱為電主軸。在電主軸結構中，機床主軸箱為電動機的定子，主軸為電動機的轉子。電主軸采用電子傳感器來控制溫度，自帶水冷或油冷循環(huán)系統，使主軸在高速旋轉時保持恒溫；同時使用油霧潤滑、混合陶瓷軸承等新技術，使主軸免維護、壽命長、轉速高。
(2) 進給系統
傳統的“伺服電動機+滾珠絲杠副”的進給系統已不能滿足高速加工機床高速度和高加速度的要求，目前高速加工機床廣泛使用直線電動機進給驅動系統。
直線電動機進給系統是由一系列安裝于機床底座的磁鐵（定子）和環(huán)繞在滑架上疊鋼片鐵芯線圈（動子）組成，利用動子脈沖電流產生的磁場和定子永磁場相互作用而產生電磁推力，帶動負載動作。高速直線電動機無旋轉運動，不受離心力作用，容易實現高速直線運動；同時，由于高速直線電動機克服了滾珠絲杠副反向間隙、慣性和剛度不足的缺點，實現了無接觸的直接驅動，因此具有速度和加速度高、定位精度高、行程不受限制、響應速度快等優(yōu)點。但由于直線電動機進給系統不能充分解決推力和重載荷問題，因此目前仍有一些高速加工機床采用傳統的滾珠絲杠副傳動系統。
(3) 高速CNC系統
高速加工與傳統數控加工雖然沒有本質的區(qū)別，但由于高速切削機床的主軸轉速和進給速度的大幅度提高，因此要求CNC系統運算速度快，數據處理能力強，控制精度和響應速度高；進給伺服機構能實現從低速到高速很寬范圍內的任意調節(jié)，并能克服進給伺服速度高則系統跟隨誤差大的矛盾，這需要CNC系統具有很短的伺服周期和很高的分辨率，同時具備待加工軌跡監(jiān)控和曲線插補功能。伺服周期短是指CNC系統對工作臺實際位置進行一次反饋并發(fā)出一次進給指令所使用的時間更短；高分辨率是指CNC系統具有更快的程序數據處理能力，以保證在高速切削時，特別是4～5軸坐標聯動加工復雜曲面輪廓時仍具有良好的數據處理能力。為此，許多高速加工機床的CNC控制系統采用多個32位甚至64位CPU，主頻可達100～200MHz，有的甚至高達500MHz，并帶有數據庫，兼有CAM功能，具有MAP3.0通訊功能；采用C語言編程，具有工具監(jiān)控功能；同時配置功能強大的后置處理軟件（如幾何補償軟件），具有加速預插補、前饋控制、精確矢量補償和最佳拐角減速度控制等功能。
2.2.3 CAM軟件
高速加工必須具有全程自動防過切和刀具干涉檢查能力，待加工軌跡監(jiān)控、速度預控制、多軸變換與坐標變換實現刀具補償、誤差補償等功能。現在高速加工計算機數控一般采用NURBS樣條插補，這樣可以克服直線插補時控制精度和速度的不足，提高進給速度和切削效率，而且提高復雜輪廓表面的加工精度和人員設備的安全性。實踐證明，在同樣精度的情況下，一條樣條曲線程序段能代替5～10條直線程序段。目前大多數CAM軟件并沒有考慮高速加工問題。
除了上述三種技術之外，零件毛坯制造技術、生產工藝數據庫、測量技術、自動生產線技術等對高速加工能否發(fā)揮其應有作用也有著重要的影響。
3 高速加工技術中磁浮軸承主軸單元設計
3.1 引言
目前，超高速數控精密磨削技術在國外發(fā)展十分迅速，在國內也引起了高度重視。超高速數控精密磨削技術作為21世紀的先進制造技術，在國防和民用方面，都起著越來越重要的作用。例如，湖南大學國家高效磨削工程技術研究中心研制了一臺砂輪周速達314m/s的超高速數控精密平面磨床，其主軸系統為從瑞士IBAG公司引進的陶瓷軸承電主軸，其價格昂貴，而且陶瓷軸承使用壽命不長，需要經常更換。必須指出，在超高速數控精密磨床中，主軸軸承技術是一項關鍵技術。在國外，磁浮軸承作為一種新型機電一體化的高新技術產品，受到高度重視。發(fā)達國家如法國、日本、德國都成功在其超高速數控精密磨床上使用了這種軸承。但發(fā)達國家對該項技術保密，而且該產品的價格十分昂貴。
3.1.1 磁浮軸承的工作原理與特點
磁浮軸承工作原理如圖3.1所示，由轉子和定子部分組成。轉子由鐵磁材料(如硅鋼片)制成，壓入回轉軸承回轉筒中，定子也由相同材料制成。定子線圈產生磁場，將轉子懸浮起來，通過4個位置傳感器不斷檢測轉子的位置。如轉子位置不在中心位置，位置傳感器測得其偏差信號，并將信號輸送給控制裝置，控制裝置調整4個定子線圈的勵磁功率，使轉子精確地回到要求的中心位置。
圖3.1 磁浮軸承的工作原理
磁浮軸承是利用電磁力將主軸無機械接觸、無潤滑地懸浮起來的一種新型智能化軸承。
磁浮軸承主軸單元的轉子和定子之間的單邊間隙為0.3mm～1.0mm ，未開動以前，主軸由左右兩端的“輔助軸承”支承，其間隙小于磁浮軸承的間隙，用以防止磁浮軸承在電磁系統失靈時發(fā)生故障。工作時，轉子的位置用高靈敏度的傳感器不斷進行檢測，其信號傳給PID (比例—積分—微分)控制器，以每秒10000次左右的運算速度，對數據進行分析和處理，算出用于校正轉子位置所需的電流值，經功率放大后，輸入定子電磁鐵，改變電磁力，從而始終保持轉子(主軸)的正確位置。
由于無機械接觸，磁浮軸承不存在機械摩擦與磨損，壽命很長。轉子線速度可高達200m/s(極限速度只受硅鋼片離心力強度的限制)，無需潤滑和密封，結構大大簡化。能耗很小(僅為滾動軸承的1/50) ，無振動、無噪音、溫升小、熱變形小?？稍谡婵栈蛴懈g介質的環(huán)境中工作，工作可靠，幾乎不用維修。所以其性能要優(yōu)于陶瓷滾動軸承。
由于磁浮軸承是用電磁力進行反饋控制的智能型軸承，轉子位置能夠自律，主軸剛度和阻尼可調。因此當由于負載變化使主軸軸線偏移時，磁浮軸承能迅速克服偏移而回到正確位置，實現實時診斷和在線監(jiān)控，使主軸始終繞慣性軸回轉，消除了振動，并可使主軸平穩(wěn)地越過各階臨界轉速，實現超高速運轉，回轉精度高達0.2μm。
3.1.2 磁浮軸承設計要求
磁軸承按照磁力的提供方式可分為主動磁軸承、被動磁軸承和混合磁軸承，其中混合磁軸承一般采用永磁材料替代主動磁軸承中的電磁鐵來產生偏置磁場，可以降低功率放大器的功耗，縮小磁軸承的體積，因此研究永磁偏置磁軸承是磁軸承研究領域的一個重要研究方向。目前國際上典型的五自由度磁軸承系統一般采用兩個徑向磁軸承和一個軸向磁軸承來分別控制徑向、軸向的運動，實現轉子五自由度的穩(wěn)定懸浮，其結構簡圖如圖3.2（A），這三個磁軸承在軸向占據了相當大的空間，限制了高速電機轉速的進一步的提高，因此研究結構緊湊、體積小、功耗低的磁軸承及磁軸承集成技術是磁軸承的研究領域的一個重要研究方向。
（A）傳統磁軸承系統
（B）新型五自由度磁軸承
圖3.2 兩種磁軸承系統的比較
本文研究無軸承電機的一種新穎的永磁偏置徑向軸向磁軸承，該磁軸承將軸向和徑向磁軸承的功能集于一體，這樣一來，五自由度磁軸承系統中的磁軸承從三個減為兩個，去掉了一個獨立的軸向磁軸承，使整個系統得以簡化，減小了系統體積和軸向長度，從而可以提高轉子的臨界轉速、同時降低了磁軸承的功耗，采用永磁偏置徑向軸向磁軸承和無軸承電機的新型五自由度磁軸承系統如圖3.2（B）。從圖中可見新的設計大大縮短了轉子軸向長度，使得整個系統的結構大大簡化。更為重要的是，這種新型結構的徑向軸向磁軸承還具有固有的徑向、軸向磁場解耦功能，在此基礎之上就可以應用獨立控制方法來實現磁軸承系統各自由度的懸浮控制，再通過系統集成實現整個轉子的整體懸浮。
3.2 主軸單元軸承的組成
一個完整的電磁主軸單元軸承系統主要由機械系統、偏磁回路、控制回路三個部分組成，各部分可有多種不同的結構，應根據應用情況和精度要求等設計。
3.2.1 機械系統
磁軸承的機械系統是由磁軸承系統的軸承主體（即控制對象）主要包括定子組件、轉子組件、保護軸承及其他輔助零部件組成。其結構形式主要取決于定子組件的電磁鐵和永磁體的形式。主要有：軸向電磁軸承、徑向電磁軸承、徑向推力電磁軸承。這里采用混合徑向軸向電磁軸承于一體的永磁偏置徑向軸向磁軸承。采用如此結構的優(yōu)點在于：（1）兩個磁軸承合為一個，結構更緊湊，軸向利用率和軸承剛度顯著提高，可突破大功率和超高轉速限制，并可實現微型化：（2）磁軸承軸向長度大幅度縮短，磁軸承和無軸承電機之間的耦合程度也大為降低，便于實現五自由度懸浮；（3）用于控制懸浮的功率電路大為減少，簡化了控制系統；（4）混合磁軸承獨特的磁路結構使其具有軸向徑向自我解耦的功能，其控制方法與傳統磁軸承電機類似。
3.2.2 磁軸承的偏磁回路
在永磁偏置的電磁軸承中，偏置磁場是由永磁體提供的，而電磁鐵提供控制磁場，產生控制磁場的電流可由恒流源提供。如此的偏置回路可以減低功率放大器的功耗及減少電磁鐵的安匝數，縮小電磁軸承的體積，提高承載能力。
3.2.3 控制回路系統
控制回路是電磁軸承系統的一個重要環(huán)節(jié)，其性能與系統的穩(wěn)定性及各項技術指標都有密切關系。它由控制器、功率放大器和位移傳感器等組成。
1、控制器
控制器的電路部分可以是模擬的，也可以是數字的。采用模擬電路的好處是響應快、性能好且穩(wěn)定、成本較低；而采用數字電路的優(yōu)勢在于易于實現復雜的控制規(guī)律、易于修改，但存在時間延遲較大的缺點。
目前，廣泛采用的控制器是經典PID（比例—積分—微分）電路，也可以采用精確的數字控制。設計的主要內容是確定其電路參數的選擇范圍，以保證控制的穩(wěn)定性。
2、功率放大器
功率放大器是電磁軸承系統的一個重要環(huán)節(jié)，它與采用的控制直接有關，同時也影響調節(jié)參數的選取范圍。功率放大器的輸入為控制電壓，輸出可以是電壓或電流。
在電磁軸承系統中功率放大器的作用是向電磁鐵提供產生電磁力所需的電流。常見的功率放大器有兩種形式：即電壓—電壓型功率放大器和電壓—電流功率放大器。從傳遞函數來看，前者的傳遞函數是一個無量綱量，而后者具有量綱。從輸出量的性質來看，前者的輸出為電壓而后者為電流。在電磁軸承系統中，若采用電壓—電壓型功率放大器，我們稱之為電壓控制策略；若采用電壓—電流功率放大器，則稱之為電流控制策略。
雖然，目前常見的功率放大器多為電壓—電壓功率放大器，但在電磁軸承系統中采用的往往是電壓—電流功率放大器。功率放大器的輸出與電磁鐵線圈相聯后，直接控制的是線圈上的電流。
3、傳感器
傳感器是電磁軸承系統的核心部件之一，它的性能對系統的控制精度起決定作用。其反饋信號可以是多種多樣的，位移、速度、電流、電磁力、磁通量等都可以作為反饋控制信號。目前，多采用位移傳感器，軸向推力電磁軸承也可以采用速度傳感器。
由于電磁鐵線圈電感的影響使電流產生滯后，勢必影響到系統的各項性能指標，因而，選擇的傳感器應能消除上述因素的影響。具體地說，電磁軸承系統對位移傳感器的第一個要求是非接觸式的，進一步說，這種傳感器必須能夠測量旋轉表面，所以轉子的幾何形狀、表面質量等都