高精度数控机床永磁同步电主轴转矩脉动和振动噪声削弱方法研究

先进制造技术以高速切削、高精度加工为主要特征。实现其目标的关键因素是高速、高精度数控机床。近年来出现的电主轴单元，由于其转速高、响应速度快，已成为高档数控机床的核心功能部件。而永磁同步电动机内装式电主轴可减少发热、提高效率并易于实现精密控制，是当今国内外竞相研究的方向。如何降低电主轴转矩脉动和振动噪声问题，提高其转速、工作精度和运行的平稳性，已成为该领域研究的关键技术。产生电主轴振动问题的主要原因之一是电磁力及其谐波的影响。为解决该项关键技术以满足高精度数控机床的需要，本课题拟探明永磁同步电主轴磁极结构、定子齿形状、控制策略、逆变器开关频率及输出电流波形与电磁力谐波的关系；确定永磁同步电主轴转矩脉动、机电耦联转子响应特性计算方法，并进行实验验证。力求将研究结果推广到更多结构的电主轴中，进而揭示其产生振动噪声的一般规律,为高精度、低振动、低噪声永磁同步电主轴的设计提供应用基础理论支撑。

课题针对降低永磁同步电主轴转矩脉动和振动噪声的研究目标，将电主轴单元和控制策略进行了综合分析，开展了一系列的研究工作，取得了重要的研究成果。首先依据机电耦合方法，建立了计算电磁力频率成分的数学模型。理清了各种参数变化条件下电磁力谐波分布的规律。揭示了磁极结构、定子齿形状、逆变器开关频率、控制策略及输出电流谐波形与永磁同步电主轴电磁力谐波关系。确定了脉宽调制（PWM）和随机脉宽调制（RPWM）对噪声振动的影响规律。研究了多种物理参数和结构参数对定子模态的影响，提出绕组质量等效方法计算其模态频率。提高了计算精度。分析计算了轴承支承刚度、支承阻尼和不平衡磁拉力对转子临界转速的影响。得出多种因素对转子动态特性的影响规律，为永磁同步电主轴单元转子-轴承系统的设计和改进提供参考。提出了通过优化永磁同步电主轴的磁极结构、永磁体和定子齿形状、极弧系数和气隙长度和形状等参数可以削弱永磁电主轴转矩脉动的方法。分析了电主轴定子轴向模态的相对声强系数对电主轴噪声计算的影响，并与实验数据进行了对比，验证了计算结果的实用性。发表论文22篇，授权发明专利2项；毕业研究生12人，在读12人。