專利名稱：一種五自由度數(shù)控機(jī)床高速磁懸浮電主軸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是將磁懸浮異步電機(jī)、磁軸承與數(shù)控機(jī)床電主軸相結(jié)合，構(gòu)建了一種新型的五自由度數(shù)控機(jī)床高速磁懸浮電主軸，它是集磁懸浮技術(shù)、電氣傳動技術(shù)、自動控制技術(shù)、高速加工技術(shù)、數(shù)字 控制技術(shù)于一體的新產(chǎn)品，涉及到電氣工程、機(jī)械工程、控制工程等科學(xué)領(lǐng)域，可以廣泛應(yīng)用于數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、各種高速離心機(jī)、高速旋碾機(jī)、聞速試驗機(jī)等。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床電主軸支承軸承主要有動靜壓軸承、陶瓷軸承和磁軸承磁懸浮軸承等。動靜壓軸承由于受到軸承內(nèi)滾動體表面速度的限制，達(dá)不到所期望的高速、超高速；陶瓷軸承可以將最高轉(zhuǎn)速提高20°/Γ30%，但軸承的壽命較短，最多也只有數(shù)千小時；磁軸承轉(zhuǎn)速高5 000^80 000r/min，壽命長，可以運行上萬小時，但在不同的應(yīng)用領(lǐng)域依然存在如下問題一方面磁軸承支承的電機(jī)由于安裝在電機(jī)兩端的磁軸承占據(jù)一定長度，導(dǎo)致電機(jī)軸向長度加長，增加高精度控制難度，限制了電機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速和輸出功率；另一方面，磁軸承需要一定數(shù)量的鐵芯和勵磁線圈、高性能功率放大驅(qū)動電路、價格昂貴的位移傳感器和高品質(zhì)數(shù)字控制器，體積大、成本高，大大影響了磁軸承支承的高速電機(jī)的使用范圍和廣泛應(yīng)用。因此，迫切需要研制一種體積小、重量輕、效率高、功率因數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡單的集高速電機(jī)與磁軸承功能于一體的磁懸浮高速電主軸系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種將旋轉(zhuǎn)和懸浮磁路有機(jī)結(jié)合的新型數(shù)控機(jī)床高速磁懸浮電主軸。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種五自由度數(shù)控機(jī)床高速磁懸浮電主軸，包括安裝于缸筒內(nèi)的轉(zhuǎn)軸、I個二自由度磁懸浮異步電動機(jī)和2個三自由度交直流混合磁軸承，所二自由度磁懸浮異步電動機(jī)通過二自由度磁懸浮異步電機(jī)轉(zhuǎn)子安裝于轉(zhuǎn)軸上，所述2個三自由度交直流混合磁軸承經(jīng)三自由度交直流混合磁軸承轉(zhuǎn)子對稱安裝于轉(zhuǎn)軸二自由度磁懸浮異步電動機(jī)兩側(cè)的轉(zhuǎn)軸上；所述任一三自由度交直流混合磁軸承與二自由度磁懸浮異步電機(jī)組合形成五自由度磁懸浮異步電機(jī)。所述缸筒包括缸筒外套、缸筒內(nèi)套和缸筒螺旋管，后端蓋為缸筒密封和固定作用。所述二自由度磁懸浮異步電動機(jī)還包括二自由度磁懸浮異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制繞組和二自由度磁懸浮異步電機(jī)懸浮控制繞組，二自由度磁懸浮異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制繞組和二自由度磁懸浮異步電機(jī)懸浮控制繞組鑲嵌于缸筒內(nèi)套的定子槽中。所述2個三自由度交直流混合磁軸承鑲嵌于缸筒內(nèi)套上，所述三自由度交直流混合磁軸承上固定著軸向定子和徑向定子，所述軸向定子和徑向定子上固定永磁體，所述永磁體上纏繞著三自由度磁軸承徑向控制繞組和三自由度磁軸承軸向控制繞組。所述缸筒內(nèi)套上裝有用于檢測電主軸在徑向和軸向的位移的軸向位移傳感器、徑向位移傳感器和位移傳感器基準(zhǔn)環(huán)，位移傳感器基準(zhǔn)環(huán)為徑向位移傳感器提供徑向位移測量基準(zhǔn)。所述調(diào)心軸承是起保護(hù)作用的輔助軸承，防止突然斷電或磁軸承系統(tǒng)失控時，三自由度交直流混合磁軸承轉(zhuǎn)子與軸向定子相碰，損壞轉(zhuǎn)子。所述二自由度磁懸浮異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子采用鼠籠型轉(zhuǎn)子，所述二自由度磁懸浮異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制繞組7是靠近內(nèi)圓的三相繞組乙，Zb,厶，所述二自由度磁懸浮異步電機(jī)懸浮控制繞組8為外圓的三相繞組尤，XB, 所述二自由度磁懸浮異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制繞組和二自由度磁懸浮異步電機(jī)懸浮控制繞組均采用單層交叉式繞制方式，星型(Y)連接，并繞根數(shù)為I，并聯(lián)支路數(shù)為I。所述二自由度磁懸浮異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制繞組和二自由度磁懸浮異步電機(jī)懸浮控制繞組每槽導(dǎo)體匝數(shù)分別為41匝，串聯(lián)導(dǎo)體的線徑均為O. 71_，二自由度磁懸浮異步電機(jī)的定子參數(shù)為內(nèi)徑98mm,外徑155mm,槽數(shù)36,鐵芯長度為105mm ;二自由度磁懸浮異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子18的參數(shù)為內(nèi)徑38臟，外徑97. 4mm,，槽數(shù)，32，，鐵芯長度為105mm ;二自由度磁懸浮異步電機(jī)的定子和二自由度磁懸浮異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子的氣隙為O. 3_。
所述三自由度交直流混合磁軸承轉(zhuǎn)子為徑向軸向三自由度定位轉(zhuǎn)子。所述三自由度交直流混合磁軸承轉(zhuǎn)子、軸向定子和徑向定子均采用O. 5_厚的硅鋼片疊壓而成，所述永磁體6采用NdFeB ;所述三自由度磁軸承徑向控制繞組和三自由度磁軸承軸向控制繞組的線圈采用O. 8mm直徑的漆包銅線，軸向徑向氣隙均為O. 3mm。本發(fā)明的有益效果該電主軸不需要潤滑，不僅縮短了軸向空間，結(jié)構(gòu)對稱，可根據(jù)負(fù)載特點靈活組成五自由度磁懸浮異步電機(jī)，能在滿足高速運行的前提下大幅提高無故障運行時間，降低能量損耗，突破了大功率和超高速的限制，有利于產(chǎn)業(yè)化實現(xiàn)。


圖I五自由度數(shù)控機(jī)床高速磁懸浮電主軸的基本結(jié)構(gòu)；
圖2 二自由度磁懸浮異步電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)；
圖3 二自由度磁懸浮異步電機(jī)的繞組繞制方式，Ca)轉(zhuǎn)矩控制繞組繞制方式；(b)懸浮控制繞組繞制方式；
圖4三自由度交直流混合磁軸承基本結(jié)構(gòu)；
其中I.轉(zhuǎn)軸，2.調(diào)心軸承，3.徑向位移傳感器，4.三自由度磁軸承徑向控制繞組,5.三自由度磁軸承軸向控制繞組,6.永磁體,7. 二自由度磁懸浮異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制繞組,8. 二自由度磁懸浮異步電機(jī)懸浮控制繞組,9.后端蓋10.軸向位移傳感器,11.位移傳感器基準(zhǔn)環(huán)，12.三自由度交直流混合磁軸承轉(zhuǎn)子，13.軸向定子，14.徑向定子，15.缸筒螺旋管，16.缸筒外套，17.缸筒內(nèi)套，18. 二自由度磁懸浮異步電機(jī)轉(zhuǎn)子，19.定位環(huán)。
具體實施例方式根據(jù)二自由度磁懸浮異步電動機(jī)和三自由度交直流混合磁軸承的懸浮機(jī)理，提出由I個二自由度磁懸浮異步電動機(jī)與2個三自由度交直流混合磁軸承構(gòu)成的一種對稱型穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的五自由度數(shù)控機(jī)床高速磁懸浮電主軸，任一個三自由度交直流混合磁軸承與二自由度磁懸浮異步電機(jī)組合，都可形成五自由度磁懸浮異步電機(jī)，縮短了由二個磁軸承來支撐高速異步電機(jī)的磁懸浮電主軸的軸向長度，提高了電主軸的運行穩(wěn)定性，可實現(xiàn)高速、超高速運行。本發(fā)明采用Ansoft軟件中的電機(jī)設(shè)計模塊RMxprt 5.0和有限元分析模塊Maxwel l2D/3D對二自由度磁懸浮異步電動機(jī)和三自由度交直流混合磁軸承結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得出對稱型五自由度數(shù)控機(jī)床高速磁懸浮電主軸的關(guān)鍵部件二自由度磁懸浮異步電動機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)、繞制方式和參數(shù)，以及三自由度交直流混合磁軸承的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。根據(jù)二自由度磁懸浮異步電動機(jī)和三自由度交直流混合磁軸承的懸浮機(jī)理，提出將I個二自由度磁懸浮異步電動機(jī)與2個三自由度交直流混合磁軸承相結(jié)合，構(gòu)成對稱型五自由度數(shù)控機(jī)床高速磁懸浮電主軸結(jié)構(gòu)，如圖I所示轉(zhuǎn)軸I上裝有二自由度磁懸浮異步電機(jī)轉(zhuǎn)子18，在轉(zhuǎn)軸的左端裝有三自由度交直流混合磁軸承轉(zhuǎn)子12，在轉(zhuǎn)軸的右端裝有三自由度交直流混合磁軸承轉(zhuǎn)子12。轉(zhuǎn)軸I、二自由度磁懸浮異步電機(jī)轉(zhuǎn)子18、左端三自由度交直流混合磁軸承轉(zhuǎn)子12三者可構(gòu)成五自由度磁懸浮異步電機(jī)轉(zhuǎn)子主體；也可由轉(zhuǎn)軸I、二自由度磁懸浮異步電機(jī)轉(zhuǎn)子18、右端三自由度交直流混合磁軸承轉(zhuǎn)子12三者構(gòu)成五自由度磁懸浮異步電機(jī)轉(zhuǎn)子主體。這樣可以根據(jù)機(jī)床電主軸的控制特點，靈活構(gòu)建對稱型高速磁懸浮電主軸轉(zhuǎn)子的主體。在電機(jī)缸筒內(nèi)套17上，鑲嵌上二自由度磁懸浮異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制繞組7和二自由度磁懸浮異步電機(jī)懸浮控制繞組8，與普通異步電機(jī)不同的是，繞組分二自由度磁懸浮異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制繞組7和二自由度磁懸浮異步電機(jī)懸浮控制繞組8，兩者一起纏繞在定子槽中。為了實現(xiàn)磁懸浮電主軸的對稱穩(wěn)定運行，在缸筒內(nèi)套17中嵌入2個三自由度交直流混合磁軸承,左端三自由度交直流混合磁軸承中永磁體6上纏繞著三自由度磁軸承徑向控制繞組4和三自由度磁軸承軸向控制繞組5，右端三自由度交直流混合磁軸承中永磁體6上纏繞著三自由度磁軸承徑向控制繞組4和三自由度磁軸承軸向控制繞組5。在缸筒內(nèi)套17裝入軸向位移傳感器10和徑向位移傳感器3用于檢測電主軸在徑向和軸向的位移。將其位移信息送入控制器，用于高速磁懸浮電主軸的運行控制。二自由度磁懸浮異步電機(jī)的定子繞組結(jié)構(gòu)如圖2所示，轉(zhuǎn)子采用鼠籠型轉(zhuǎn)子，定子槽中有兩套繞組，靠近內(nèi)圓的三相繞組乙，厶，厶為轉(zhuǎn)矩控制繞組，轉(zhuǎn)矩控制繞組控制磁懸浮異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；靠近外圓的三相繞組尤，Xb, I為懸浮繞組，為懸浮力的控制提供控制磁場，即控制電機(jī)轉(zhuǎn)軸的徑向懸浮。要使磁懸浮異步電機(jī)產(chǎn)生可控的徑向懸浮力，兩套繞組的極對數(shù)必須滿足/72=A±1，且^1=W2，其中A，分別為轉(zhuǎn)矩控制繞組的極對數(shù)和電角頻率，A，《2分別為懸浮控制繞組的極對數(shù)和電角頻率。圖2中，轉(zhuǎn)矩繞組的極對數(shù)A=l，懸浮繞組的極對數(shù)/^=2。二自由度磁懸浮異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制繞組7和二自由度磁懸浮異步電機(jī)懸浮控制繞組8繞制方式如圖3所示，其中，(a)為轉(zhuǎn)矩控制繞組接線圖，(b)為懸浮控制繞組接線圖，兩套繞組均采用單層交叉式繞制方式，星型(Y)連接，并繞根數(shù)為1，并聯(lián)支路數(shù)為I。二極轉(zhuǎn)矩繞組和四極懸浮繞組每槽導(dǎo)體匝數(shù)分別為41匝，串聯(lián)導(dǎo)體的線徑均為O. 71mm，二自由度磁懸浮異步電機(jī)的定子參數(shù)為內(nèi)徑98mm,外徑155mm,槽數(shù)36,鐵芯長度為105mm;二自由度磁懸浮異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子18的參數(shù)為內(nèi)徑38mm，外徑97. 4mm，槽數(shù)32，鐵芯長度為105_ ;二自由度磁懸浮異步電機(jī)的定子和二自由度磁懸浮異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子之間的氣隙
為O. 3臟。圖4是三自由度交直流混合磁軸承結(jié)構(gòu)示意圖。三自由度交直流混合磁軸承轉(zhuǎn)子12穿過三自由度交直流混合磁軸承的中心，在軸承上固定著軸向定子13和徑向定子14,在此上面固定永磁體6,永磁體6上纏繞著三自由度磁軸承徑向控制繞組4和三自由度磁軸承軸向控制繞組5。三自由度磁軸承徑向控制繞組4的三個控制線圈通入三相交流電，相當(dāng)于一個轉(zhuǎn)矩繞組極對數(shù)置O、徑向懸浮力繞組極對數(shù)為I的磁懸浮電機(jī)，滿足/72=A±1。三自由度交直流混合磁軸承采用徑向軸向三自由度定位轉(zhuǎn)子；三自由度交直流混合磁軸承轉(zhuǎn)子12、軸向定子13和徑向定子14均采用O. 5mm厚的娃鋼片疊壓而成,有效減小潤流損 耗及磁滯損耗；永磁體6采用新型稀土材料NdFeB ;繞組線圈材料為O. 8mm直徑的漆包銅線，磁軸承軸向、徑向定轉(zhuǎn)子之間的氣隙均為O. 3mm。徑向承載力'Fr ^ 200N，軸向承載力Fz 彡 150N。
權(quán)利要求
1.一種五自由度數(shù)控機(jī)床高速磁懸浮電主軸，其特征在于，包括安裝于鋼筒上的轉(zhuǎn)軸(I)、I個二自由度磁懸浮異步電動機(jī)和2個三自由度交直流混合磁軸承，所二自由度磁懸浮異步電動機(jī)通過二自由度磁懸浮異步電機(jī)轉(zhuǎn)子(18 )安裝于轉(zhuǎn)軸(I)上，所述2個三自由度交直流混合磁軸承經(jīng)三自由度交直流混合磁軸承轉(zhuǎn)子(12)對稱安裝于轉(zhuǎn)軸(I) 二自由度磁懸浮異步電動機(jī)兩側(cè)的轉(zhuǎn)軸(I)上；所述任一三自由度交直流混合磁軸承與二自由度磁懸浮異步電機(jī)組合形成五自由度磁懸浮異步電機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種五自由度數(shù)控機(jī)床高速磁懸浮電主軸，其特征在于，所述缸筒包括缸筒外套(16 )、缸筒內(nèi)套(17 )和缸筒螺旋管(15)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種五自由度數(shù)控機(jī)床高速磁懸浮電主軸，其特征在于，所述二自由度磁懸浮異步電動機(jī)還包括二自由度磁懸浮異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制繞組(7)和二自由度磁懸浮異步電機(jī)懸浮控制繞組(8)，二自由度磁懸浮異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制繞組(7)和二自由度磁懸浮異步電機(jī)懸浮控制繞組(8 )鑲嵌于缸筒內(nèi)套(17 )的定子槽中。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種五自由度數(shù)控機(jī)床高速磁懸浮電主軸，其特征在于，所述2個三自由度交直流混合磁軸承鑲嵌于缸筒內(nèi)套(17)上，所述三自由度交直流混合磁軸承上固定著軸向定子(13)和徑向定子(14),所述軸向定子(13)和徑向定子(14)上固定永磁體(6 )，所述永磁體(6 )上纏繞著三自由度磁軸承徑向控制繞組(4 )和三自由度磁軸承軸向控制繞組(5)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種五自由度數(shù)控機(jī)床高速磁懸浮電主軸,其特征在于，所述缸筒內(nèi)套(17)上裝有用于檢測電主軸在徑向和軸向的位移的軸向位移傳感器(10)和徑向位移傳感器(3 )和位移傳感器基準(zhǔn)環(huán)(11)，位移傳感器基準(zhǔn)環(huán)(11)為徑向位移傳感器(3)提供徑向位移測量基準(zhǔn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種五自由度數(shù)控機(jī)床高速磁懸浮電主軸，其特征在于，所述二自由度磁懸浮異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子(18)采用鼠籠型轉(zhuǎn)子，所述二自由度磁懸浮異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制繞組(7)是靠近內(nèi)圓的三相繞組ZA,ZB,Zc,所述二自由度磁懸浮異步電機(jī)懸浮控制繞組(8 )為外圓的三相繞組W，所述二自由度磁懸浮異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制繞組(7 )和二自由度磁懸浮異步電機(jī)懸浮控制繞組(8)均采用單層交叉式繞制方式，星型連接，并繞根數(shù)為I，并聯(lián)支路數(shù)為I。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種五自由度數(shù)控機(jī)床高速磁懸浮電主軸，其特征在于，所述二自由度磁懸浮異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制繞組(7)和二自由度磁懸浮異步電機(jī)懸浮控制繞組(8)每槽導(dǎo)體匝數(shù)分別為41匝，串聯(lián)導(dǎo)體的線徑均為O. 71mm，二自由度磁懸浮異步電機(jī)的定子參數(shù)為內(nèi)徑98mm,外徑155mm,槽數(shù)36,鐵芯長度為105mm ;二自由度磁懸浮異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子(18)的參數(shù)為內(nèi)徑38臟，外徑97. 4mm,，槽數(shù)，32，，鐵芯長度為105mm ;二自由度磁懸浮異步電機(jī)的定子和二自由度磁懸浮異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子(18)的氣隙為O. 3_。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種五自由度數(shù)控機(jī)床高速磁懸浮電主軸，其特征在于，所述三自由度交直流混合磁軸承轉(zhuǎn)子(12)為徑向軸向三自由度定位轉(zhuǎn)子。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種五自由度數(shù)控機(jī)床高速磁懸浮電主軸，其特征在于，所述三自由度交直流混合磁軸承轉(zhuǎn)子(12)、軸向定子(13)和徑向定子(14)均采用O. 5mm厚的硅鋼片疊壓而成，所述永磁體(6)采用NdFeB ;所述三自由度磁軸承徑向控制繞組(4)和三自由度磁軸承軸向控制繞組的線圈采用O. 8mm直徑的漆包銅線,軸向徑向氣隙均為O. 3mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種五自由度數(shù)控機(jī)床高速磁懸浮電主軸，其特征在于，還包括調(diào)心軸承(2)，所述調(diào)心軸承(2)用于防止突然斷電或磁軸承系統(tǒng)失控時，三自由度交直流混合磁軸承轉(zhuǎn)子(12)與軸向定子(13)相碰。
全文摘要
本發(fā)明公開一種五自由度數(shù)控機(jī)床高速磁懸浮電主軸，該電主軸包括安裝于鋼筒上的轉(zhuǎn)軸(1)、1個二自由度磁懸浮異步電動機(jī)和2個三自由度交直流混合磁軸承，所二自由度磁懸浮異步電動機(jī)通過二自由度磁懸浮異步電機(jī)轉(zhuǎn)子(18)安裝于轉(zhuǎn)軸(1)上，所述2個三自由度交直流混合磁軸承經(jīng)三自由度交直流混合磁軸承轉(zhuǎn)子(12)對稱安裝于轉(zhuǎn)軸(1)二自由度磁懸浮異步電動機(jī)兩側(cè)的轉(zhuǎn)軸(1)上；所述任一三自由度交直流混合磁軸承與二自由度磁懸浮異步電機(jī)組合形成五自由度磁懸浮異步電機(jī)。該電主軸不需要潤滑，不僅縮短了軸向空間，結(jié)構(gòu)對稱，可靈活組成五自由度磁懸浮異步電機(jī)，能在滿足高速運行的前提下大幅提高無故障運行時間，降低能量損耗。
文檔編號H02K17/16GK102921971SQ201210472348
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月21日
發(fā)明者劉賢興, 孫宇新, 劉奕辰 申請人:江蘇大學(xué)