專利名稱：多功能永磁同步型電主軸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高速機(jī)床的電主軸，尤其是一種多功能永磁同步型電主軸。
背景技術(shù)：
高速加工技術(shù)是21世紀(jì)最具發(fā)展前途的先進(jìn)制造技術(shù)之一。高速加工不僅能夠大幅度地提高零件的加工效率，降低加工時(shí)間和成本，而且還可以提高零件的加工精度和表面質(zhì)量。高速數(shù)控機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速加工的前提條件，它不僅是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，而且其技術(shù)水平的高低和擁有量的多少也是衡量一個(gè)國家制造業(yè)水平高低的標(biāo)志。電主軸是高速機(jī)床的核心部件，其性能好壞很大程度上決定了整臺(tái)機(jī)床的加工精度和質(zhì)量。電主軸是將驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)集成到機(jī)床主軸上，使驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸的功能融為一體。一般是將帶有冷卻套的電動(dòng)機(jī)定子裝配在主軸單元的殼體內(nèi)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)部件做成一體，端部安裝加工刀具。與傳統(tǒng)分離式的機(jī)床主軸相比，電主軸由于省去了中間變速和傳動(dòng)裝置直接驅(qū)動(dòng)刀具工作，具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、響應(yīng)快、重量輕、慣性小、噪聲低、精度高、易實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，另外采用閉環(huán)控制不僅可以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求而且具有易于實(shí)現(xiàn)高速化、動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性更好等特點(diǎn)。目前，市場上的高速電主軸主要以感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為主,但由于永磁同步型電動(dòng)機(jī)具有體積小、重量輕、損耗小、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，從而使永磁型同步電動(dòng)機(jī)在高速電主軸方面得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于電主軸上各部件的質(zhì)量不平衡所產(chǎn)生的機(jī)械激振力、高速加工過程中所引起的顫振、以及電主軸永磁同步型電動(dòng)機(jī)氣隙中的磁場所產(chǎn)生的電磁激振力，從而弓I 起電主軸的振動(dòng)。電主軸上各部件的質(zhì)量不平衡是由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不對(duì)稱、材料不均勻、加工工藝以及加工刀具等原因引起，使電主軸轉(zhuǎn)子的重心與電動(dòng)機(jī)的幾何中心不重合， 電主軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的不平衡激勵(lì)力，從而引起轉(zhuǎn)子中心慣性軸線與回轉(zhuǎn)軸線不重合，產(chǎn)生振動(dòng)。任何電主軸都存在一定的質(zhì)量不平衡，雖然通過對(duì)電主軸進(jìn)行動(dòng)平衡，可以減小轉(zhuǎn)子的不平衡水平，但是無法完全消除。電主軸永磁同步型電動(dòng)機(jī)氣隙磁場產(chǎn)生的電磁激振力是由永磁同步型電動(dòng)機(jī)氣隙中非對(duì)稱的磁場所產(chǎn)生。永磁同步型電動(dòng)機(jī)氣隙中非對(duì)稱的磁場一方面是由電動(dòng)機(jī)定子電流中的諧波分量引起，另一方面是由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子或定子結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱引起。永磁同步型電動(dòng)機(jī)氣隙磁場所產(chǎn)生的電磁激勵(lì)力對(duì)轉(zhuǎn)子施加額外的磁激勵(lì)，引起電主軸永磁同步型電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)。為了對(duì)電主軸及其在加工過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行控制，現(xiàn)有技術(shù)是在電主軸上添加動(dòng)平衡裝置或力執(zhí)行器，動(dòng)平衡裝置及力執(zhí)行器主要有噴液式、機(jī)械式、電磁式、電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械式、機(jī)械型阻尼器、電流變液動(dòng)力吸振器、電磁型阻尼器、壓電型執(zhí)行器和內(nèi)置力執(zhí)行器等多種方式。雖然有些裝置已經(jīng)商品化，如瑞士的Fischer公司的具有在線自動(dòng)平衡裝置的電主軸、美國的Schmitt Industries公司的SBS系統(tǒng)、Kennametal Hertel公司的TABS系統(tǒng)、baladyne公司在線平衡系統(tǒng)和意大利Marposs公司E系列產(chǎn)品等,并在一些機(jī)床的電主軸上得到了成功的應(yīng)用，但這些解決方案都需要直接安裝在電主軸上，由于其本身的結(jié)構(gòu)尺寸較大，價(jià)格昂貴，調(diào)整過程十分復(fù)雜，目前只是在大型磨床的低速主軸上使用。如果能夠不改動(dòng)傳統(tǒng)電主軸的軸承及永磁同步型電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子的基本結(jié)構(gòu)，而在電主軸的本體結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)出一套能夠按照要求產(chǎn)生一定控制力的裝置，那么就能夠經(jīng)濟(jì)、方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)電主軸及其在加工過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種多功能永磁同步型電主軸，在不改動(dòng)傳統(tǒng)電主軸基本結(jié)構(gòu)的前提下，通過對(duì)電主軸永磁同步型電動(dòng)機(jī)線圈的簡單調(diào)整，便能夠經(jīng)濟(jì)、方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)電主軸或者是加工過程中造成的刀具的振動(dòng)進(jìn)行控制。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明可采取下述技術(shù)方案
本發(fā)明一種多功能永磁同步型電主軸,包括與機(jī)床主軸為一體結(jié)構(gòu)的永磁同步型電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子及永磁體，和設(shè)置在機(jī)床殼體內(nèi)的永磁同步型電動(dòng)機(jī)的定子，主軸前端部安裝有加工刀具，從所述定子每相繞組的中點(diǎn)均引出一個(gè)抽頭，各抽頭分別與一電控器電連接，在機(jī)床殼體內(nèi)環(huán)繞轉(zhuǎn)子前端部還均布有至少三個(gè)位移傳感器，各所述位移傳感器分別與所述電控器電連接各所述位移傳感器用于檢測轉(zhuǎn)子或者刀具的徑向振動(dòng)位移量，并將該徑向振動(dòng)位移量傳遞給電控器；所述電控器根據(jù)徑向振動(dòng)位移量，控制通入各抽頭電流的大小和方向，以在所述轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生可控的徑向控制力，以控制所述轉(zhuǎn)子的振動(dòng)以及加工過程中造成的刀具的振動(dòng)。所述永磁同步型電動(dòng)機(jī)為單相永磁同步型電動(dòng)機(jī)，或二相永磁同步型電動(dòng)機(jī)，或三相永磁同步型電動(dòng)機(jī),或多相永磁同步型電動(dòng)機(jī)。所述的電主軸是表面式、或內(nèi)置式，或爪極式結(jié)構(gòu)。所述的軸承是滾動(dòng)軸承，或滑動(dòng)軸承，或磁軸承。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果是由于采用上述技術(shù)方案，從所述定子每相繞組的中點(diǎn)均引出一個(gè)抽頭，各抽頭分別與一電控器電連接，在機(jī)床殼體內(nèi)環(huán)繞轉(zhuǎn)子前端部還均布有至少三個(gè)位移傳感器，各所述位移傳感器分別與所述電控器電連接各所述位移傳感器用于檢測轉(zhuǎn)子或者刀具的徑向振動(dòng)位移量，并將該徑向振動(dòng)位移量傳遞給電控器；所述電控器根據(jù)徑向振動(dòng)位移量，控制通入各抽頭電流的大小和方向，以在所述轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生可控的徑向控制力，以控制所述轉(zhuǎn)子的振動(dòng)以及加工過程中造成的刀具的振動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)，能夠簡單、經(jīng)濟(jì)、方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)電主軸或者是加工過程中造成的刀具的振動(dòng)進(jìn)行控制。


圖I是本發(fā)明所述的轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生X方向徑向控制力的原理圖2是本發(fā)明所述的轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一 Λ ^ 向徑向控制力的原理圖3是本發(fā)明所述的定子繞組接線圖4是本發(fā)明的定子繞組的分布結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1-4所示，本發(fā)明多功能永磁同步型電主軸，包括與機(jī)床主軸為一體結(jié)構(gòu)的三相永磁同步型電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子5,和設(shè)置在機(jī)床殼體內(nèi)的永磁同步型電動(dòng)機(jī)的定子6,轉(zhuǎn)子前端部8安裝有加工刀具，在機(jī)床殼體內(nèi)環(huán)繞轉(zhuǎn)子前端部8均布有三個(gè)位移傳感器9，各所述位移傳感器9分別與電控器7電連接，各所述位移傳感器用于檢測主軸或者刀具端的徑向振動(dòng)位移量，并將該徑向振動(dòng)位移量傳遞給電控器；所述電控器7根據(jù)徑向振動(dòng)位移量， 控制通入各抽頭電流的大小和方向，以在所述轉(zhuǎn)子5上產(chǎn)生可控的徑向控制力，以控制所
述轉(zhuǎn)子5 ((電主軸))的振動(dòng)；圖3是本發(fā)明所述的定子繞組接線圖，j相繞組分為為和為
兩個(gè)匝數(shù)相等的兩個(gè)子繞組，這兩個(gè)子繞組串聯(lián)連接，從子繞組為和為的中點(diǎn)引出一個(gè)抽
頭，該抽頭與所述電控器電連接；及和C繞組也采取一樣的結(jié)構(gòu)，從子繞組馬和馬的中點(diǎn)
引出一個(gè)抽頭，該抽頭與所述電控器電連接；從子繞組q和G的中點(diǎn)引出一個(gè)抽頭，該抽頭與所述電控器電連接。本發(fā)明所述的轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生I方向徑向控制力的原理圖如圖I所示，為了方便敘述，將氣隙劃分成1、2、3、4四個(gè)區(qū)域，圖2類似。為了說明問題，圖中只給出了羞相繞組的
電流情況，如果只往A相繞組中通入轉(zhuǎn)矩電流I2jm (B、C相繞組的轉(zhuǎn)矩電流分別為
)，區(qū)域1、2、3和4內(nèi)的氣隙磁密相同，那么轉(zhuǎn)子5 (電主軸)受到的麥克斯韋合力為零。
當(dāng)從A相繞組的中點(diǎn)抽頭往繞組中通入電流后(B、C相繞組的的中點(diǎn)抽頭的通入電流
分別為、& )，由于區(qū)域I內(nèi)的磁鏈不變，而區(qū)域3內(nèi)的磁鏈方向相反，這樣在區(qū)域3內(nèi)合成磁密就減少，這時(shí)電主軸徑向方向上將受到X方向上的麥克斯韋合力F的作用。本發(fā)明所述的轉(zhuǎn)子5上產(chǎn)生-X方向徑向控制力的原理圖如圖2所示，當(dāng)從A相繞組的中點(diǎn)抽頭往繞組中通入反相電流后，由于區(qū)域3內(nèi)的磁鏈不變；而區(qū)域I內(nèi)的磁鏈方向相反，在區(qū)域 I內(nèi)合成磁密減少，這時(shí)電主軸徑向方向上將受到一 X方向上的麥克斯韋合力F的作用，
如圖2所示。y方向的控制力產(chǎn)生原理與X方向類似。這樣只要控制通入各抽頭電流的大小和方向，就能在轉(zhuǎn)子5 (電主軸)上產(chǎn)生可控徑向力，來控制轉(zhuǎn)子5 (電主軸)或者加工過程中造成的刀具的振動(dòng)。作為優(yōu)選，所述的電主軸是內(nèi)置式。作為優(yōu)選，所述位移傳感器9為非接觸式振動(dòng)傳感器，還設(shè)有與電控器7電連接的加速度傳感器來測量電主軸振動(dòng)加速度；還設(shè)有與電控器7電連接的電流和電壓傳感器來測量電主軸的電流及電壓；通過高頻變頻器改變電主軸的轉(zhuǎn)速；通過控制通入抽頭中電流的大小和方向來實(shí)時(shí)地改變作用在轉(zhuǎn)子5徑向力的大小，從而達(dá)到控制電主軸及加工刀具處振動(dòng)的目的。在電主軸上其它位置處增設(shè)位移傳感器9，就可以控制電主軸上其它位置處的振動(dòng)。圖4給出了具體的定子繞組的分布結(jié)構(gòu)示意圖。每相繞組的兩個(gè)子繞組串聯(lián)連接。
權(quán)利要求
1.一種多功能永磁同步型電主軸，包括與機(jī)床主軸為一體結(jié)構(gòu)的永磁同步型電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子及永磁體，和設(shè)置在機(jī)床殼體內(nèi)的永磁同步型電動(dòng)機(jī)的定子，主軸前端部安裝有加工刀具，其特征在于從所述定子每相繞組的中點(diǎn)均引出一個(gè)抽頭，各抽頭分別與一電控器電連接，在機(jī)床殼體內(nèi)環(huán)繞轉(zhuǎn)子前端部還均布有至少三個(gè)位移傳感器，各所述位移傳感器分別與所述電控器電連接各所述位移傳感器用于檢測轉(zhuǎn)子或者刀具的徑向振動(dòng)位移量，并將該徑向振動(dòng)位移量傳遞給電控器；所述電控器根據(jù)徑向振動(dòng)位移量，控制通入各抽頭電流的大小和方向，以在所述轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生可控的徑向控制力，以控制所述轉(zhuǎn)子的振動(dòng)以及加工過程中造成的刀具的振動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多功能永磁同步型電主軸，其特征在于所述永磁同步型電動(dòng)機(jī)為單相永磁同步型電動(dòng)機(jī)，或二相永磁同步型電動(dòng)機(jī)，或三相永磁同步型電動(dòng)機(jī)，或多相永磁同步型電動(dòng)機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多功能永磁同步型電主軸，其特征在于所述的電主軸是表面式、或內(nèi)置式，或爪極式結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多功能永磁同步型電主軸，其特征在于所述的軸承是滾動(dòng)軸承，或滑動(dòng)軸承，或磁軸承。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多功能永磁同步型電主軸，包括與機(jī)床主軸為一體結(jié)構(gòu)的永磁同步型電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子及永磁體，和設(shè)置在機(jī)床殼體內(nèi)的永磁同步型電動(dòng)機(jī)的定子，從定子每相繞組的中點(diǎn)均引出一個(gè)抽頭，各抽頭分別與一電控器電連接，環(huán)繞轉(zhuǎn)子前端部還均布有至少三個(gè)位移傳感器，各位移傳感器分別與電控器電連接各位移傳感器將轉(zhuǎn)子或者刀具的徑向振動(dòng)位移量傳遞給電控器；電控器根據(jù)徑向振動(dòng)位移量，控制通入各抽頭電流的大小和方向，以在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生可控的徑向控制力，以控制轉(zhuǎn)子的振動(dòng)以及加工過程中造成的刀具的振動(dòng)。本發(fā)明在不改動(dòng)傳統(tǒng)電主軸基本結(jié)構(gòu)的前提下，能夠經(jīng)濟(jì)、方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)電主軸或者是加工過程中造成的刀具的振動(dòng)進(jìn)行控制。
文檔編號(hào)B23B19/02GK102581318SQ20121002727
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月8日
發(fā)明者喬曉利, 周俊杰 申請(qǐng)人:紹興文理學(xué)院