基于超声波悬浮变频调速电主轴的设计和研究

论文摘要

基于超声波悬浮变频调速电主轴的设计和研究本文中所涉及的课题是超声波学、机械振动学及电机学相结合的一项研究工作,是超声波技术在机电领域应用的延伸与发展。近代超声波技术的研究已相当深入,超声波所具有的力学特性和机械效应也逐渐被人们所认识,有关的理论正在逐步形成与完善;压电学与压电材料的发展则使超声波的生成与转换更易实现,这些都为本课题的研究提供了良好的理论与技术基础。本课题的研究,解决超声振动在构造超声波悬浮轴承高速电机中的相关理论与关键技术问题,进一步拓展超声波技术的应用领域,从而为研制出更具实用价值的新型高速电机打下基础。本文结合国家自然科学基金“超声波悬浮轴承高速电机”,以超声波悬浮径向、轴向双向支撑变频调速电主轴为研究对象,本论文所提到的知识综合了多门学科,研究工作具有良好的创新性并为以后的进一步研究奠定了很好的基础,论文主要的包括以下四个方面的工作:一、高速电主轴的研究和应用?本文详细介绍了各种高速电主轴的结构特点和功能原理,分析和比较了普通轴承、陶瓷轴承、磁浮轴承、动静压轴承等优缺点,说明了电主轴所需的冷却和润滑的方法,探讨了电主轴的控制方式和以后的发展趋势。除此之外还研究了电机学的有关知识,介绍了电机的工作原理和机电能量转换的具体原理,对永磁同步电机的启动过程作了详尽的分析。二、变频调速仪的介绍和探讨?本文中所提到的超声波悬浮高速电主轴是在变频器的供电和调节作用下进行工作的,系统的介绍了DZB100H变频器的特点、功能及参数应用,介绍了本课题所用变频器的故障处理及维护方法。全面而又重点的介绍了通用变频器的分类和其控制方式。详细阐述了通用变频器的电路组成、变频器各回路单元的功能与原理,逆变器主回路及工作原理。最后还说明了变频器的故障处理和维护的基本方法。三、压电换能器和超声波发生器的设计在对课题的具体目标和可行性做出了具体的分析之后,分析了不同种类的压电材料和压电陶瓷的物理特性以后,我们研制了不同锥度不同形状的压电换能器,对压电陶瓷的振动模态和等效电路作了全面的分析和探讨,除此之外,我们分析了大量的发生器电路原理,设计出了符合实验要求的超声波发生器,这样就能更加明了的理解超声波悬浮支撑的具体原理,为以后的各方面工作做好铺垫。四、超声波悬浮变频调速电主轴样机的试制和实验研究经过各个环节的准备和实际操作,我们设计和加工了超声波悬浮径向、轴向支撑的样机,并对二者的实验结果和具体数据进行了比较和分析之后,发现径向支撑时由于轴的重力的存在而使悬浮间隙不均匀,对中性问题不能很好的解决,所以,我们把重点放在了轴向悬浮支撑的研究上,目前实验取得了很大的成果,双向轴向支撑的样机已加工和试制出来,这为超声悬浮技术的进一步研究奠定了基础。综合以上的探讨和实验研究,得出了本文所要阐述的结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超声波悬浮支撑电主轴国内外研究现状
• 1.3 本文研究的重点和意义
• 第2章 高速电主轴与电机理论基础
• 2.1 高速电主轴概述
• 2.2 各种电主轴的型号及参数比较
• 2.2.1 恒转矩电主轴
• 2.2.2 恒功率电主轴
• 2.2.3 风冷电主轴
• 2.3 电主轴的基本结构和工作原理
• 2.3.1 电主轴的基本结构
• 2.3.2 电主轴的工作原理及应用
• 2.3.3 电主轴的冷却和润滑
• 2.4 电主轴的运动控制和发展趋势
• 2.5 电机的基本原理
• 2.5.1 电机中与磁场有关的基本概念
• 2.5.2 磁路及其基本定理
• 2.5.3 电感和磁场储能
• 2.5.4 机电能量转换的基本原理
• 2.6 本章小结
• 第3章 变频技术综述
• 3.1 DZ8100H 变频器概述
• 3.2 变频器的分类及控制方式
• 3.3 通用变频器电路组成和基本工作原理
• 3.3.1 变频器各回路单元功能与原理
• 3.3.2 逆变器主回路及工作原理
• 3.3.3 变频器软件设计
• 3.3.4 变频器对电机的影响
• 3.4 变频器的故障诊断及处理方法
• 3.5 本章小结
• 第4章 压电换能器与超声波发生器的设计和实验
• 4.1 超声振动的物理学基础
• 4.1.1 压电材料简介
• 4.1.2 压电陶瓷及其物理特性
• 4.1.3 压电效应与逆压电效应
• 4.2 压电体的振动模态及压电方程
• 4.3 描述压电材料物理特性的重要参数
• 4.4 压电振子及其等效电路
• 4.4.1 压电陶瓷的系统方程
• 4.4.2 压电振子等效电路模型
• 4.4.3 压电换能器端面纵向振动振幅测试
• 4.4.4 压电换能器的基本参数测试
• 4.5 超声波发生器的简介与功能要求
• 4.6 超声波发生器的电路设计
• 4.6.1 主电路的设计
• 4.6.2 构成电路的原理和设计要求
• 4.6.3 超声波发生器与换能器的匹配设计
• 4.7 超声波发生器的实物设计与输出波形的实验测试
• 4.8 本章小结
• 第5章 超声波悬浮电主轴的样机试制和实验研究
• 5.1 圆锥形端面压电换能器的设计和超声波发射仪的介绍.
• 5.2 超声波振子径向支撑电主轴结构设计与实验研究
• 5.2.1 超声波振子径向支撑轴系结构设计
• 5.2.2 超声波振子径向悬浮支撑轴系实验研究
• 5.3 超声波振子轴向悬浮支撑电主轴结构设计与实验研究.
• 5.3.1 超声波振子单向轴向支撑结构设计与实验研究..
• 5.3.2 超声波振子双向轴向支撑结构设计
• 5.4 本章小结
• 第6章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介