装备制造业是国民经济的支柱产业。机床工业是装备制造业和国防工业的基础。高速磨床作为实现高效精密加工的一类先进工作母机,是衡量一个国家工业水平发展的重要标志之一。目前高速磨床越来越广泛地使用高频电主轴和高频变流驱动单元,但由于逆变器高频变流诱发的高次谐波机电耦合振动或系统机电参数匹配不当引起强烈的机电耦合作用,导致磨削系统的稳定性和磨削质量下降。目前,高速磨削电主轴系统的设计是通过对逆变器、电主轴等关键功能部件进行独立的静态设计来实现,难以对系统的机电耦合作出有效的评价,迫切需要研究基于机电耦合动力学的高速磨削电主轴系统设计方法。本文在传统砂轮转子机械模型的基础上进一步考虑功率开关元件高频变流的影响,建立了高速磨削“逆变器—电主轴—砂轮—磨削载荷”系统的机电耦合动力学模型。根据机电耦合模型的特征,提出了研究系统机电耦合动态特性的数值分析方法。利用该模型及方法对比研究了理想正弦电压和正弦脉宽调制电压源逆变器供电条件下系统起动、升速以及突变磨削载荷多类典型的非平稳过程,并在高速平面磨床上进行了试验研究。研究表明,高频变流产生的高次谐波是诱发高速磨削电主轴系统机电耦合振动的一种新诱因。本文在揭示高次谐波机电耦合振动物理机理的基础上进一步研究了电主轴系统中逆变器、电机和砂轮之间的匹配特性。为探索抑制高次谐波机电耦合振动,提高系统匹配特性的有效途径,利用所建立的机电耦合动力学模型及数值分析方法定量研究了逆变器工作参数、电主轴电机电磁设计和砂轮参数对脉动转矩及定子电流频谱特性的影响。结果表明,通过优化逆变器工作参数、电主轴电机电磁设计,以及适当选配砂轮的方法可有效抑制高次谐波机电耦合振动。分析了脉动转矩及功率开关损耗随逆变器载波频率的变化关系,进而提出了可抑制高次谐波机电耦合振动的逆变器工作参数优选区域。实验研究了逆变器工作参数对电主轴电机定子电流频谱特性以及凸轮轴工件实际磨削表面质量的影响。经理论与实验分析证实,通过优化逆变器工作参数抑制高次谐波机电耦合振动,以提高磨削质量是一种切实可行的方法。充分考虑逆变器输出电流谐波特性的影响,针对目前工程上广泛采用的谐波叠加法铁损计算繁琐,效率低和受制于现有硅钢片生产商仅提供有限频率下的性能曲线,以及现有参数估计预测模型计算误差大的不足,建立了基于正弦脉宽调制电压源逆变器供电的铁心软磁材料铁损特性改进的参数估计预测模型。该模型对现有参数估计预测模型中的涡流损耗系数进行了重新假设与定义。为验证所建立模型的正确性,对比分析了该模型、现有参数估计预测模型以及谐波叠加法的计算结果。结果表明,相对于现有参数估计预测模型,改进参数估计预测模型计算误差小,结果可靠;而相对于谐波叠加法,改进参数估计预测模型不仅具有统一的计算公式,省去了繁琐的叠加环节,而且易于实现编程,计算效率高。针对传统的起动电流迭代法只适合计算电机额定点的起动性能,而对实际采用降压降频软起动的高频电主轴电机并不适用,提出了基于机电耦合模型的动态仿真法。研究表明,该方法可对高频电主轴电机的起动性能作出合理的评价。针对高频电主轴电磁损耗发热严重,难以实现高速大功率的技术难题,建立了高频电主轴电机的电磁优化设计模型。在以上研究基础上,开发了一套基于逆变器供电的高频电主轴集电磁优化设计、稳态性能分析及动态特性评价功能于一体,并纳入改进参数估计预测模型的系统设计与分析软件(获国家软件著作权,No.2010SR007969)。利用所开发的软件优化电磁设计,合理分配电磁负荷,开发了功率10kW/18krpm内圆磨削电主轴,功率20kW/12krpm外圆磨削电主轴,以及功率120kW/10krpm高速大功率电机。实验表明,内外圆磨削电主轴电机的电磁设计方案正确,转子轴承跨距设计、转子动平衡及整机装配是成功的。本文的研究成果为高速磨削电主轴系统的机电耦合振动防治、电磁设计、动态设计以及电主轴实现高速大功率,提供了重要理论依据和有效实现途径。