專利名稱：一種五自由度數控機床高速磁懸浮電主軸的制作方法
技術領域：
本發明是將磁懸浮異步電機、磁軸承與數控機床電主軸相結合，構建了一種新型的五自由度數控機床高速磁懸浮電主軸，它是集磁懸浮技術、電氣傳動技術、自動控制技術、高速加工技術、數字 控制技術于一體的新產品，涉及到電氣工程、機械工程、控制工程等科學領域，可以廣泛應用于數控車床、數控銑床、數控磨床、各種高速離心機、高速旋碾機、聞速試驗機等。
背景技術：
目前，國內外數控機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滾動體表面速度的限制，達不到所期望的高速、超高速；陶瓷軸承可以將最高轉速提高20°/Γ30%，但軸承的壽命較短，最多也只有數千小時；磁軸承轉速高5 000^80 000r/min，壽命長，可以運行上萬小時，但在不同的應用領域依然存在如下問題一方面磁軸承支承的電機由于安裝在電機兩端的磁軸承占據一定長度，導致電機軸向長度加長，增加高精度控制難度，限制了電機的臨界轉速和輸出功率；另一方面，磁軸承需要一定數量的鐵芯和勵磁線圈、高性能功率放大驅動電路、價格昂貴的位移傳感器和高品質數字控制器，體積大、成本高，大大影響了磁軸承支承的高速電機的使用范圍和廣泛應用。因此，迫切需要研制一種體積小、重量輕、效率高、功率因數高、結構簡單的集高速電機與磁軸承功能于一體的磁懸浮高速電主軸系統。

發明內容
本發明的目的是提出一種將旋轉和懸浮磁路有機結合的新型數控機床高速磁懸浮電主軸。本發明的技術方案是一種五自由度數控機床高速磁懸浮電主軸，包括安裝于缸筒內的轉軸、I個二自由度磁懸浮異步電動機和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通過二自由度磁懸浮異步電機轉子安裝于轉軸上，所述2個三自由度交直流混合磁軸承經三自由度交直流混合磁軸承轉子對稱安裝于轉軸二自由度磁懸浮異步電動機兩側的轉軸上；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組合形成五自由度磁懸浮異步電機。所述缸筒包括缸筒外套、缸筒內套和缸筒螺旋管，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還包括二自由度磁懸浮異步電機轉矩控制繞組和二自由度磁懸浮異步電機懸浮控制繞組，二自由度磁懸浮異步電機轉矩控制繞組和二自由度磁懸浮異步電機懸浮控制繞組鑲嵌于缸筒內套的定子槽中。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環，位移傳感器基準環為徑向位移傳感器提供徑向位移測量基準。所述調心軸承是起保護作用的輔助軸承，防止突然斷電或磁軸承系統失控時，三自由度交直流混合磁軸承轉子與軸向定子相碰，損壞轉子。所述二自由度磁懸浮異步電動機轉子采用鼠籠型轉子，所述二自由度磁懸浮異步電機轉矩控制繞組7是靠近內圓的三相繞組乙，Zb,厶，所述二自由度磁懸浮異步電機懸浮控制繞組8為外圓的三相繞組尤，XB, 所述二自由度磁懸浮異步電機轉矩控制繞組和二自由度磁懸浮異步電機懸浮控制繞組均采用單層交叉式繞制方式，星型(Y)連接，并繞根數為I，并聯支路數為I。所述二自由度磁懸浮異步電機轉矩控制繞組和二自由度磁懸浮異步電機懸浮控制繞組每槽導體匝數分別為41匝，串聯導體的線徑均為O. 71_，二自由度磁懸浮異步電機的定子參數為內徑98mm,外徑155mm,槽數36,鐵芯長度為105mm ;二自由度磁懸浮異步電動機轉子18的參數為內徑38臟，外徑97. 4mm,，槽數，32，，鐵芯長度為105mm ;二自由度磁懸浮異步電機的定子和二自由度磁懸浮異步電動機轉子的氣隙為O. 3_。
所述三自由度交直流混合磁軸承轉子為徑向軸向三自由度定位轉子。所述三自由度交直流混合磁軸承轉子、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，結構對稱，可根據負載特點靈活組成五自由度磁懸浮異步電機，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，有利于產業化實現。


圖I五自由度數控機床高速磁懸浮電主軸的基本結構；
圖2 二自由度磁懸浮異步電機繞組結構；
圖3 二自由度磁懸浮異步電機的繞組繞制方式，Ca)轉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構；
其中I.轉軸，2.調心軸承，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轉矩控制繞組,8. 二自由度磁懸浮異步電機懸浮控制繞組,9.后端蓋10.軸向位移傳感器,11.位移傳感器基準環，12.三自由度交直流混合磁軸承轉子，13.軸向定子，14.徑向定子，15.缸筒螺旋管，16.缸筒外套，17.缸筒內套，18. 二自由度磁懸浮異步電機轉子，19.定位環。
具體實施例方式根據二自由度磁懸浮異步電動機和三自由度交直流混合磁軸承的懸浮機理，提出由I個二自由度磁懸浮異步電動機與2個三自由度交直流混合磁軸承構成的一種對稱型穩定結構的五自由度數控機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組合，都可形成五自由度磁懸浮異步電機，縮短了由二個磁軸承來支撐高速異步電機的磁懸浮電主軸的軸向長度，提高了電主軸的運行穩定性，可實現高速、超高速運行。本發明采用Ansoft軟件中的電機設計模塊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和三自由度交直流混合磁軸承結構和參數進行優化設計，得出對稱型五自由度數控機床高速磁懸浮電主軸的關鍵部件二自由度磁懸浮異步電動機的繞組結構、繞制方式和參數，以及三自由度交直流混合磁軸承的結構和參數。根據二自由度磁懸浮異步電動機和三自由度交直流混合磁軸承的懸浮機理，提出將I個二自由度磁懸浮異步電動機與2個三自由度交直流混合磁軸承相結合，構成對稱型五自由度數控機床高速磁懸浮電主軸結構，如圖I所示轉軸I上裝有二自由度磁懸浮異步電機轉子18，在轉軸的左端裝有三自由度交直流混合磁軸承轉子12，在轉軸的右端裝有三自由度交直流混合磁軸承轉子12。轉軸I、二自由度磁懸浮異步電機轉子18、左端三自由度交直流混合磁軸承轉子12三者可構成五自由度磁懸浮異步電機轉子主體；也可由轉軸I、二自由度磁懸浮異步電機轉子18、右端三自由度交直流混合磁軸承轉子12三者構成五自由度磁懸浮異步電機轉子主體。這樣可以根據機床電主軸的控制特點，靈活構建對稱型高速磁懸浮電主軸轉子的主體。在電機缸筒內套17上，鑲嵌上二自由度磁懸浮異步電機轉矩控制繞組7和二自由度磁懸浮異步電機懸浮控制繞組8，與普通異步電機不同的是，繞組分二自由度磁懸浮異步電機轉矩控制繞組7和二自由度磁懸浮異步電機懸浮控制繞組8，兩者一起纏繞在定子槽中。為了實現磁懸浮電主軸的對稱穩定運行，在缸筒內套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的定子繞組結構如圖2所示，轉子采用鼠籠型轉子，定子槽中有兩套繞組，靠近內圓的三相繞組乙，厶，厶為轉矩控制繞組，轉矩控制繞組控制磁懸浮異步電機的電磁轉矩；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，即控制電機轉軸的徑向懸浮。要使磁懸浮異步電機產生可控的徑向懸浮力，兩套繞組的極對數必須滿足/72=A±1，且^1=W2，其中A，分別為轉矩控制繞組的極對數和電角頻率，A，《2分別為懸浮控制繞組的極對數和電角頻率。圖2中，轉矩繞組的極對數A=l，懸浮繞組的極對數/^=2。二自由度磁懸浮異步電機轉矩控制繞組7和二自由度磁懸浮異步電機懸浮控制繞組8繞制方式如圖3所示，其中，(a)為轉矩控制繞組接線圖，(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，并繞根數為1，并聯支路數為I。二極轉矩繞組和四極懸浮繞組每槽導體匝數分別為41匝，串聯導體的線徑均為O. 71mm，二自由度磁懸浮異步電機的定子參數為內徑98mm,外徑155mm,槽數36,鐵芯長度為105mm;二自由度磁懸浮異步電動機轉子18的參數為內徑38mm，外徑97. 4mm，槽數32，鐵芯長度為105_ ;二自由度磁懸浮異步電機的定子和二自由度磁懸浮異步電機的轉子之間的氣隙
為O. 3臟。圖4是三自由度交直流混合磁軸承結構示意圖。三自由度交直流混合磁軸承轉子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，相當于一個轉矩繞組極對數置O、徑向懸浮力繞組極對數為I的磁懸浮電機，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子；三自由度交直流混合磁軸承轉子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。
權利要求
1.一種五自由度數控機床高速磁懸浮電主軸，其特征在于，包括安裝于鋼筒上的轉軸(I)、I個二自由度磁懸浮異步電動機和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通過二自由度磁懸浮異步電機轉子(18 )安裝于轉軸(I)上，所述2個三自由度交直流混合磁軸承經三自由度交直流混合磁軸承轉子(12)對稱安裝于轉軸(I) 二自由度磁懸浮異步電動機兩側的轉軸(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組合形成五自由度磁懸浮異步電機。
2.根據權利要求I所述的一種五自由度數控機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 )、缸筒內套(17 )和缸筒螺旋管(15)。
3.根據權利要求2所述的一種五自由度數控機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還包括二自由度磁懸浮異步電機轉矩控制繞組(7)和二自由度磁懸浮異步電機懸浮控制繞組(8)，二自由度磁懸浮異步電機轉矩控制繞組(7)和二自由度磁懸浮異步電機懸浮控制繞組(8 )鑲嵌于缸筒內套(17 )的定子槽中。
4.根據權利要求2或3所述的一種五自由度數控機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.根據權利要求2或3所述的一種五自由度數控機床高速磁懸浮電主軸,其特征在于，所述缸筒內套(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 )和位移傳感器基準環(11)，位移傳感器基準環(11)為徑向位移傳感器(3)提供徑向位移測量基準。
6.根據權利要求3所述的一種五自由度數控機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轉子(18)采用鼠籠型轉子，所述二自由度磁懸浮異步電機轉矩控制繞組(7)是靠近內圓的三相繞組ZA,ZB,Zc,所述二自由度磁懸浮異步電機懸浮控制繞組(8 )為外圓的三相繞組W，所述二自由度磁懸浮異步電機轉矩控制繞組(7 )和二自由度磁懸浮異步電機懸浮控制繞組(8)均采用單層交叉式繞制方式，星型連接，并繞根數為I，并聯支路數為I。
7.根據權利要求6所述的一種五自由度數控機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轉矩控制繞組(7)和二自由度磁懸浮異步電機懸浮控制繞組(8)每槽導體匝數分別為41匝，串聯導體的線徑均為O. 71mm，二自由度磁懸浮異步電機的定子參數為內徑98mm,外徑155mm,槽數36,鐵芯長度為105mm ;二自由度磁懸浮異步電動機轉子(18)的參數為內徑38臟，外徑97. 4mm,，槽數，32，，鐵芯長度為105mm ;二自由度磁懸浮異步電機的定子和二自由度磁懸浮異步電動機轉子(18)的氣隙為O. 3_。
8.根據權利要求4所述的一種五自由度數控機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子(12)為徑向軸向三自由度定位轉子。
9.根據權利要求4所述的一種五自由度數控機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.根據權利要求I所述的一種五自由度數控機床高速磁懸浮電主軸，其特征在于，還包括調心軸承(2)，所述調心軸承(2)用于防止突然斷電或磁軸承系統失控時，三自由度交直流混合磁軸承轉子(12)與軸向定子(13)相碰。
全文摘要
本發明公開一種五自由度數控機床高速磁懸浮電主軸，該電主軸包括安裝于鋼筒上的轉軸(1)、1個二自由度磁懸浮異步電動機和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通過二自由度磁懸浮異步電機轉子(18)安裝于轉軸(1)上，所述2個三自由度交直流混合磁軸承經三自由度交直流混合磁軸承轉子(12)對稱安裝于轉軸(1)二自由度磁懸浮異步電動機兩側的轉軸(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組合形成五自由度磁懸浮異步電機。該電主軸不需要潤滑，不僅縮短了軸向空間，結構對稱，可靈活組成五自由度磁懸浮異步電機，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 優先權日2012年11月21日
發明者劉賢興, 孫宇新, 劉奕辰 申請人:江蘇大學