專利名稱：交流混合磁軸承支承的高速電主軸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機電傳動設(shè)備控制技術(shù)領(lǐng)域，是一種非接觸的磁懸浮旋轉(zhuǎn)機械領(lǐng)域，特指 五自由度交流混合磁軸承支承的高速電主軸系統(tǒng)，適用于各類高速高精旋轉(zhuǎn)機械的五自由 度懸浮支承，可用于真空技術(shù)、純凈潔室、無菌車間以及腐蝕性介質(zhì)或非常純凈介質(zhì)的傳 輸?shù)忍厥鈭龊?，在高速高精?shù)控機床、機械制造工業(yè)、生命科學(xué)、航空航天等領(lǐng)域具有無 可替代的應(yīng)用價值。
背景技術(shù)：
磁軸承是利用磁場力將轉(zhuǎn)子懸浮于空間，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子與定子之間無機械接觸的高科技 機電一體化產(chǎn)品。磁軸承支承的電機傳動系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)速高、功耗低、無摩擦、無磨損、無 需潤滑和密封、壽命長等優(yōu)點，可用于真空技術(shù)、純凈潔室和無菌車間等特殊場合。
電主軸是將電機套裝在旋轉(zhuǎn)機械主軸上，實現(xiàn)電機直接帶動旋轉(zhuǎn)機械主軸旋轉(zhuǎn)的零傳 動機械系統(tǒng)。由于電主軸實現(xiàn)了無齒輪、聯(lián)軸節(jié)、皮帶等中間傳動裝置和變速機構(gòu)，所以 大大簡化了旋轉(zhuǎn)機械的結(jié)構(gòu)，消除了由于中間傳動裝置和變速機構(gòu)引起的振動、機械摩擦、 機械噪音和能量損耗，提高了旋轉(zhuǎn)機械的控制精度和機械效率。
因此，將磁軸承支承技術(shù)應(yīng)用到旋轉(zhuǎn)機械電主軸上成為了上世紀(jì)70年代至今的一個研 究熱點。1977年S2M公司開發(fā)了世界上第一臺高速機床用的磁浮電主軸，并在1981年德 國Hanover歐洲國際機床展覽會上推出了 B20/500磁浮電主軸系統(tǒng)，并在35000r/min轉(zhuǎn)速 下進(jìn)行了鉆、銑現(xiàn)場表演。隨后瑞士、日本、美國、法國、德國和中國等國家的研究人員 相繼開展了對磁軸承支承的電主軸系統(tǒng)的研究。
傳統(tǒng)的磁浮電主軸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子由3個直流混合磁軸承來支承，其中2個徑向磁軸承， 每個徑向磁軸承控制徑向相互垂直的兩個方向，另1個軸向推力磁軸承控制軸向自由度； 采用直流控制，直流功率放大器價格高，體積大，l個徑向磁軸承通常需要4路單極性(或 2路雙極性)功率放大電路，從而直接導(dǎo)致了磁軸承支承的電主軸系統(tǒng)體積大、功耗高、 造價昂貴，大大限制了其應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在航空航天及軍事應(yīng)用領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對傳統(tǒng)的直流式混合磁軸承支承的五自由度磁浮電主軸系統(tǒng)的缺 點，設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、制造成本低、能夠穩(wěn)定懸浮和穩(wěn)定運行的交流混合磁軸承支承的五自由度高速電主軸系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的還在于，對用于支承電主軸、實現(xiàn)電主軸在5個自由度上穩(wěn)定懸浮的磁 軸承結(jié)構(gòu)與控制進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在保證電主軸系統(tǒng)懸浮所需的承載力的前提下，設(shè)計出結(jié) 構(gòu)緊湊、功耗低、承載力大、效率高的磁軸承，從而進(jìn)一步縮小整個電主軸系統(tǒng)的體積、 顯著降低整個系統(tǒng)的功耗。設(shè)計出一種能夠用于高速高精數(shù)控機床、機械制造工業(yè)、生命 科學(xué)、航空航天等領(lǐng)域的五自由度交流混合磁軸承支承的高速電主軸系統(tǒng)。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案有兩種。
本發(fā)明的一種技術(shù)方案是
交流混合磁軸承支承的高速電主軸，包括壓裝在鋼筒中的交直流三自由度混合磁軸承、 高速主軸電機、交流二自由度混合磁軸承、左右端蓋和轉(zhuǎn)軸，高速主軸電機安裝在轉(zhuǎn)軸上， 所述交直流三自由度混合磁軸承和交流二自由度混合磁軸承分別安裝在高速主軸電機的左 右兩側(cè)；軸向位移傳感器探頭安裝在右端蓋上，處于轉(zhuǎn)軸的軸心線上，檢測轉(zhuǎn)軸的軸向位 移；徑向輔助軸承固定在右端蓋中；右端4個徑向位移傳感器探頭沿圓周均勻分布、固定 在右端蓋與交直流三自由度混合磁軸承之間的右端傳感器支架上，檢測轉(zhuǎn)軸右端徑向2個 自由度的位移；高速主軸電機左右兩側(cè)分別安裝有限位套筒，高速主軸電機左側(cè)的限位套 筒左端緊靠交流二自由度混合磁軸承，高速主軸電機右側(cè)的限位套筒右端緊靠交直流三自 由度混合磁軸承；左端傳感器支架緊靠左端蓋，左端4個徑向位移傳感器探頭沿圓周均勻 分布、固定在左端傳感器支架上，檢測轉(zhuǎn)軸左端徑向2個自由度的位移；在交流二自由度 混合磁軸承與左端傳感器支架之間也安裝有限位套筒進(jìn)行限位；徑向-軸向輔助軸承安裝在 左端蓋中。
本發(fā)明的另一種技術(shù)方案是
交流混合磁軸承支承的高速電主軸，包括壓裝在鋼筒中的高速主軸電機、兩個交流二 自由度混合磁軸承、軸向直流主動磁軸承、左右端蓋和轉(zhuǎn)軸，高速主軸電機安裝在轉(zhuǎn)軸上， 所述兩個交流二自由度混合磁軸承分別安裝在高速主軸電機左右兩側(cè)，所述軸向直流主動
磁軸承安裝在右側(cè)的交流二自由度混合磁軸承的右側(cè)；徑向輔助軸承和徑向-軸向輔助軸承 分別安裝在右端蓋和左端蓋中；軸向位移傳感器探頭安裝在右端蓋上，處于轉(zhuǎn)軸的軸心線 上，檢測轉(zhuǎn)軸的軸向位移；軸向直流主動磁軸承緊靠右端蓋安裝，其左側(cè)為右端傳感器支 架，右端4個徑向位移傳感器探頭沿圓周均勻分布、固定在右端傳感器支架上，檢測轉(zhuǎn)軸右 端徑向2個自由度的位移；高速主軸電機左右兩側(cè)均安裝有限位套筒，右端的交流二自由度 混合磁軸承左端緊靠高速主軸電機右側(cè)的限位套筒，左端的交流二自由度混合磁軸承右端緊靠高速主軸電機左側(cè)的限位套筒；右端傳感器支架與右端的交流二自由度混合磁軸承之 間安裝有限位套筒，左端的交流二自由度混合磁軸承與左端傳感器支架之間也安裝有限位 套筒；左端4個徑向位移傳感器探頭沿圓周均勻分布、固定在左端緊靠左端蓋的左端傳感器 支架上，檢測轉(zhuǎn)軸左端徑向2個自由度的位移。
本發(fā)明的兩種技術(shù)方案，采用了不同的機械結(jié)構(gòu)，達(dá)到相同的技術(shù)目的。第一種技術(shù) 方案的機械結(jié)構(gòu)主要由交直流三自由度混合磁軸承、高速主軸電機和交流二自由度混合磁 軸承和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成；第二種技術(shù)方案的機械結(jié)構(gòu)主要由2個交流二自由度混合磁軸承、高速主 軸電機、軸向直流主動磁軸承和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成。
上述的交直流三自由度混合磁軸承，包括三自由度混合磁軸承轉(zhuǎn)子、三自由度混合磁 軸承徑向控制線圈、三自由度混合磁軸承徑向定子、三自由度混合磁軸承永磁體、三自由 度混合磁軸承軸向控制線圈、三自由度混合磁軸承軸向定子；三自由度混合磁軸承轉(zhuǎn)子由 圓環(huán)形硅鋼片疊壓而成，套裝在系統(tǒng)共用的轉(zhuǎn)軸上；三自由度混合磁軸承永磁體為圓環(huán)形 且徑向充磁，同時提供軸向-徑向偏磁磁通；三自由度混合磁軸承軸向定子采用雙片式定子 盤結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)每片三自由度混合磁軸承軸向定子帶有呈圓周均勻分布的3個散熱通風(fēng) 孔，左右三自由度混合磁軸承軸向定子與三自由度混合磁軸承轉(zhuǎn)子分別形成左右軸向氣隙； 左右2個三自由度混合磁軸承軸向控制線圈分別緊靠左右2片三自由度混合磁軸承軸向定 子，置于內(nèi)側(cè)，通電產(chǎn)生三自由度混合磁軸承軸向控制磁通；三自由度混合磁軸承徑向定 子具有3個沿圓周均勻分布的三自由度混合磁軸承徑向定子磁極，三自由度混合磁軸承徑 向定子處于2片三自由度混合磁軸承軸向定子之間，3個三自由度混合磁軸承徑向定子磁 極與三自由度混合磁軸承轉(zhuǎn)子之間形成徑向氣隙；3個三自由度混合磁軸承徑向控制線圈 繞在3個三自由度混合磁軸承徑向定子磁極上，采用三相交流功率逆變器驅(qū)動控制，以產(chǎn) 生三自由度混合磁軸承徑向控制磁通。
上述的交流二自由度混合磁軸承，包括二自由度混合磁軸承轉(zhuǎn)子、二自由度混合磁軸 承永磁體、二自由度混合磁軸承徑向定子、二自由度混合磁軸承徑向控制線圈，二自由度 磁軸承轉(zhuǎn)子由圓環(huán)形硅鋼片疊壓而成，套裝在系統(tǒng)共用的轉(zhuǎn)軸上；二自由度混合磁軸承徑 向定子采用2片X3極的雙片式六極結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)每片二自由度混合磁軸承徑向定子具 有沿圓周均勻分布的3個二自由度混合磁軸承徑向定子磁極，3個二自由度混合磁軸承徑 向定子磁極與二自由度混合磁軸承轉(zhuǎn)子形成徑向氣隙；二自由度混合磁軸承永磁體為圓環(huán) 形且軸向充磁，置于2片二自由度混合磁軸承徑向定子之間，提供靜態(tài)偏磁磁通；二自由 度混合磁軸承徑向控制線圈繞在3個二自由度混合磁軸承徑向定子磁極上，采用三相交流
7功率逆變器驅(qū)動控制，以產(chǎn)生徑向控制磁通。
上述的鋼筒由鋼筒外套和鋼筒內(nèi)套構(gòu)成，鋼筒外套和鋼筒內(nèi)套之間具有用于系統(tǒng)水冷散熱的螺旋溝道。
上述的徑向輔助軸承采用單滾珠軸承，徑向-軸向輔助軸承采用調(diào)心滾珠軸承，所有位移傳感器均采用電渦流位移傳感器。
上述的交直流三自由度混合磁軸承徑向控制線圈和交流二自由度混合磁軸承徑向控制線圈均采用三相功率逆變器進(jìn)行驅(qū)動，而交直流三自由度混合磁軸承軸向控制線圈和軸向直流主動磁軸承控制線圈采用直流開關(guān)功率放大器提供控制電流；采用霍爾電流傳感器檢測每個控制線圈中的電流。
本發(fā)明的有益效果在于
1. 與傳統(tǒng)機械軸承支承的電主軸系統(tǒng)相比，本發(fā)明的五自由度交流混合磁軸承支承的高速電主軸系統(tǒng)具有無需潤滑、功耗低、對環(huán)境無污染、轉(zhuǎn)速高、控制精度高、承載力大、壽命長、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)機械系統(tǒng)高速、高精、成本低、實用性強的要求。
2. 采用高速主軸電機直接帶動轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)運行，實現(xiàn)了無齒輪、聯(lián)軸節(jié)、皮帶等中間傳動裝置和變速機構(gòu)，數(shù)控鉆床、銑床、磨床等機床的刀具可直接安裝在電主軸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸上；因此，五自由度交流磁軸承支承的高速電主軸系統(tǒng)實現(xiàn)了電機與旋轉(zhuǎn)主軸之間和旋轉(zhuǎn)主軸與刀具之間的雙處零傳動，消除了由于中間傳動裝置和變速機構(gòu)引起的振動、機械摩擦、機械噪音和能量損耗，提高了系統(tǒng)的控制精度和機械效率。
3. 交直流三自由度混合磁軸承采用徑向充磁的環(huán)形永磁體同時提供軸向、徑向靜態(tài)偏磁磁通，交流二自由度混合磁軸承采用軸向充磁環(huán)形永磁體提供徑向兩個自由度的靜態(tài)偏磁磁通；消除了傳統(tǒng)混合磁軸承靜態(tài)偏磁電流產(chǎn)生的功耗，因而，顯著降低了系統(tǒng)的功耗
4. 傳統(tǒng)直流式徑向二自由度磁軸承需要4路單極性(或2路雙極性)功率放大電路，而本發(fā)明中的交直流三自由度混合磁軸承只用1個三相交流逆變器即可完全驅(qū)動控制徑向二自由度，同理交流二自由度混合磁軸承也只需要1個三相交流逆變器就能完全控制，因而大大減小了系統(tǒng)功率放大電路的體積，降低了系統(tǒng)成本，顯著降低了功率放大電路的功耗，大大提高了系統(tǒng)的工作效率。
5. 釆用電渦流位移傳感器對旋轉(zhuǎn)主軸位移進(jìn)行差動檢測，并采用高性能的數(shù)字信號處理器DSP2812進(jìn)行系統(tǒng)信息處理，提高了系統(tǒng)的控制精度，使得五自由度交流混合磁軸承支承的高速電主軸系統(tǒng)易于實現(xiàn)高速高精的穩(wěn)定運行。


圖1為本發(fā)明實施例1五自由度交流混合磁軸承支承的高速電主軸系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)示意
圖2為本發(fā)明實施例1五自由度交流混合磁軸承支承的高速電主軸系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的主體部件構(gòu)成示意圖3為本發(fā)明實施例2五自由度交流混合磁軸承支承的高速電主軸系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)示意
圖4為本發(fā)明實施例2五自由度交流混合磁軸承支承的高速電主軸系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的主體部件構(gòu)成示意圖5為本發(fā)明實施例1中交直流三自由度混合磁軸承的軸向截面示意圖及控制磁路示意圖6為圖5中交直流三自由度混合磁軸承的A-A剖面圖及徑向控制磁路示意圖；圖7為圖5中交直流三自由度混合磁軸承的B-B剖面左視圖；圖8為圖5中交直流三自由度混合磁軸承的C-C剖面圖
圖9為本發(fā)明實施例1和實施例2中交流二自由度混合磁軸承的軸向截面示意圖及控制磁路示意圖10為本發(fā)明實施例1和實施例2中交流二自由度混合磁軸承的徑向截面示意圖及控制磁路示意圖。
圖中l(wèi)為右端蓋，2為軸向位移傳感器探頭，3為轉(zhuǎn)軸，4為徑向輔助軸承，51為右端傳感器支架，52為左端傳感器支架，61為右端徑向位移傳感器探頭，62為左端徑向位移傳感器探頭，7為三自由度混合磁軸承轉(zhuǎn)子，8為三自由度混合磁軸承徑向控制線圈，9為三自由度混合磁軸承徑向定子，91、 92、 93為三自由度混合磁軸承3個徑向定子磁極，10為三自由度混合磁軸承永磁體，11為三自由度混合磁軸承軸向控制線圈，12為三自由度混合磁軸承軸向定子，131、 132、 133、 134為限位套筒，14為高速主軸電機轉(zhuǎn)子，15為高速主軸電機定子，16為鋼筒外套，17為鋼筒內(nèi)套，18為二自由度混合磁軸承徑向控制線圈，19為二自由度混合磁軸承徑向定子，191、 192、 193為二自由度混合磁軸承徑向定子磁極，20為二自由度混合磁軸承永磁體，21為二自由度混合磁軸承轉(zhuǎn)子，22為徑向-軸向輔助軸承，23為左端蓋，24為軸向直流主動磁軸承定子，25為軸向直流主動磁軸承控制線圈，26為軸向直流主動磁軸承轉(zhuǎn)子，27為交直流三自由度混合磁軸承，28為高速主軸電機，29為交流二自由度混合磁軸承，30為軸向直流主動磁軸承；帶箭頭的實線31表示三自由度混合磁軸承永磁體產(chǎn)生的軸向-徑向靜態(tài)偏磁磁通回路，帶箭頭的雙點畫線32表示三自由度混合磁軸承軸向控制線圈產(chǎn)生的軸向控制磁通回路，帶箭頭的虛線33表示三自由度混合磁軸承徑向控制線圈產(chǎn)生的三自由度混合磁軸承徑向控制磁通回路，帶箭頭的實線34表示二自由度混合磁軸承永磁體產(chǎn)生的徑向靜態(tài)偏磁磁通回路，帶箭頭的虛線35表示二自由度混合磁軸承徑向控制線圈產(chǎn)生的二自由度混合磁軸承徑向控制磁通回路。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例做進(jìn)一步說明。
本發(fā)明首先設(shè)計出交直流三自由度混合磁軸承、交流二自由度混合磁軸承以及軸向直
流主動磁軸承的機械結(jié)構(gòu)和磁路結(jié)構(gòu)；然后設(shè)計出其它相關(guān)部件的機械結(jié)構(gòu)，包括左右徑
向傳感器支架、左右端蓋、鋼筒和限位套筒，并選擇單滾珠軸承作為徑向輔助軸承、調(diào)心
滾珠軸承作為徑向-軸向輔助軸承；軸向位移傳感器和徑向位移傳感器均采用電渦流位移傳
感器對系統(tǒng)5個自由度的位移進(jìn)行檢測，而交直流三自由度混合磁軸承、交流二自由度混
合磁軸承以及軸向直流主動磁軸承的控制線圈中的電流采用霍爾電流傳感器進(jìn)行檢測；交
直流三自由度混合磁軸承和交流二自由度混合磁軸承的徑向控制線圈均采用三相功率逆變
器進(jìn)行驅(qū)動，而交直流三自由度混合磁軸承和軸向直流主動磁軸承的軸向控制線圈采用直
流開關(guān)功率放大器提供控制電流；最后采甩TI公司的TMS320F2812DSP、位移檢測電路、
電流檢測電路、三相功率逆變器驅(qū)動電路以及軸向開關(guān)功率放大電路以及五自由度交流混
合磁軸承支承的高速電主軸系統(tǒng)樣機本體構(gòu)建五自由度交流混合磁軸承支承的高速電主軸
系統(tǒng)的位移、電流雙閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例1:如圖1和圖2所示，五自由度交流混合磁軸承支承的高速電主軸系統(tǒng)，其機械結(jié)構(gòu)主
要由壓裝在鋼筒內(nèi)套17中的交直流三自由度混合磁軸承27、高速主軸電機28、交流二自
由度混合磁軸承29、轉(zhuǎn)軸3、右端蓋1和左端蓋23構(gòu)成。圖1中，軸向位移傳感器探頭2
安裝在右端蓋l上，處于轉(zhuǎn)軸3的軸心線上，檢測轉(zhuǎn)軸3的軸向位移；徑向輔助軸承4固
定在右端蓋l中；右端4個徑向位移傳感器探頭61沿圓周均勻分布、固定在右端蓋l與交
直流三自由度混合磁軸承27之間的右端傳感器支架51上，檢測轉(zhuǎn)軸3右端徑向2個自由
度的位移；高速主軸電機28左右兩側(cè)分別安裝有限位套筒132和限位套筒131,限位套筒
132左端緊靠交流二自由度混合磁軸承29，限位套筒131右端緊靠交直流三自由度混合磁
軸承27;左端傳感器支架52緊靠左端蓋23，左端4個徑向位移傳感器探頭62沿圓周均勻
分布、固定在左端傳感器支架52上，檢測轉(zhuǎn)軸3左端徑向2個自由度的位移；在交流二自由度混合磁軸承29與左端傳感器支架52之間安裝有限位套筒133進(jìn)行限位；徑向-軸向輔助軸承22安裝在左端蓋23中。
如圖5~圖8所示，交直流三自由度混合磁軸承27，包括轉(zhuǎn)軸3、三自由度混合磁軸承轉(zhuǎn)子7、三自由度混合磁軸承徑向控制線圈8、三自由度混合磁軸承徑向定子9、三自由度混合磁軸承永磁體IO、三自由度混合磁軸承軸向控制線圈11、三自由度混合磁軸承軸向定子12。三自由度混合磁軸承轉(zhuǎn)子7由圓環(huán)形硅鋼片疊壓而成，套裝在系統(tǒng)共用的轉(zhuǎn)軸3上；三自由度混合磁軸承永磁體IO為圓環(huán)形且徑向充磁，同時提供軸向-徑向偏磁磁通31;三自由度混合磁軸承軸向定子12采用雙片式定子盤結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)每片三自由度混合磁軸承軸向定子12帶有呈圓周均勻分布的3個散熱通風(fēng)孔，左右三自由度混合磁軸承軸向定子12與三自由度混合磁軸承轉(zhuǎn)子7分別形成左右軸向氣隙；左右2個三自由度混合磁軸承軸向控制線圈11分別緊靠左右2片三自由度混合磁軸承軸向定子12，置于內(nèi)側(cè)，通電產(chǎn)生三自由度混合磁軸承軸向控制磁通32;三自由度混合磁軸承徑向定子9具有3個沿圓周均勻分布的三自由度混合磁軸承徑向定子磁極91、 92和93,三自由度混合磁軸承徑向定子9處于2片三自由度混合磁軸承軸向定子12之間，3個三自由度混合磁軸承徑向定子磁極91 、92、 93與三自由度混合磁軸承轉(zhuǎn)子7之間形成徑向氣隙；3個三自由度混合磁軸承徑向控制線圈8繞在3個三自由度混合磁軸承徑向定子磁極91、 92、 93上，采用三相交流功率逆變器驅(qū)動控制，以產(chǎn)生三自由度混合磁軸承徑向控制磁通33。
如圖9和圖10所示，交流二自由度混合磁軸承29，包括轉(zhuǎn)軸3、 二自由度混合磁軸承轉(zhuǎn)子21、 二自由度混合磁軸承永磁體20、 二自由度混合磁軸承徑向定子19、 二自由度混合磁軸承徑向控制線圈18。 二自由度磁軸承轉(zhuǎn)子19由圓環(huán)形硅鋼片疊壓而成，套裝在系統(tǒng)共用的轉(zhuǎn)軸3上；二自由度混合磁軸承徑向定子19采用2片X3極的雙片式六極結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)每片二自由度混合磁軸承徑向定子19具有沿圓周均勻分布的3個二自由度混合磁軸承徑向定子磁極191、 192和193， 3個二自由度混合磁軸承徑向定子磁極191、 192、 193與二自由度混合磁軸承轉(zhuǎn)子19形成徑向氣隙；二自由度混合磁軸承永磁體(20)為圓環(huán)形且軸向充磁，置于2片二自由度混合磁軸承徑向定子19之間，提供靜態(tài)偏磁磁通34; 二自由度混合磁軸承徑向控制線圈18繞在3個二自由度混合磁軸承徑向定子磁極191、 192、193上，采用三相交流功率逆變器驅(qū)動控制，以產(chǎn)生徑向控制磁通35。
如圖l所示，鋼筒由鋼筒外套15和鋼筒內(nèi)套16構(gòu)成，鋼筒外套15和鋼筒內(nèi)套16之間具有用于系統(tǒng)水冷散熱的螺旋溝道。
根據(jù)磁回路要求，構(gòu)造其機械結(jié)構(gòu)與零部件結(jié)構(gòu)；磁路部件需導(dǎo)磁性能好，磁滯低，
11并盡量降低渦流損耗與磁滯損耗，由此確定三自由度混合磁軸承轉(zhuǎn)子7、 二自由度混合磁軸承轉(zhuǎn)子21和軸向直流主動磁軸承轉(zhuǎn)子26均采用圓環(huán)形硅鋼片疊壓而成，套裝在系統(tǒng)共用轉(zhuǎn)軸3上；三自由度混合磁軸承徑向定子9、三自由度混合磁軸承軸向定子12、 二自由度混合磁軸承徑向定子19和軸向直流主動磁軸承定子24均采用圓環(huán)形硅鋼片疊壓而成。
根據(jù)系統(tǒng)對機械輔助軸承的要求，確定徑向輔助軸承4采用單滾珠軸承，徑向-軸向輔助軸承22采用調(diào)心滾珠軸承；輔助軸承與轉(zhuǎn)軸之間的氣隙長度為磁軸承氣隙長度的一半。
系統(tǒng)中的所有位移傳感器2、 61和62均采用電渦流位移傳感器檢測系統(tǒng)5個自由度上的位移，釆用霍爾電流傳感器檢測三自由度混合磁軸承徑向控制線圈8、 二自由度混合磁軸承徑向控制線圈18、三自由度混合磁軸承軸向控制線圈11以及軸向直流主動磁軸承控制線圈25中的電流，以TI公司TMS320F2812DSP為核心，結(jié)合位移檢測電路、電流檢測電路和功率驅(qū)動電路構(gòu)建五自由度交流磁軸承支承的高速電主軸系統(tǒng)的數(shù)字控制系統(tǒng)。
實施例2
如圖3和圖4所示，五自由度交流混合磁軸承支承的高速電主軸系統(tǒng)，其機械結(jié)構(gòu)，主要由壓裝在鋼筒內(nèi)套17中的高速主軸電機28、 2個交流二自由度混合磁軸承29、軸向直流主動磁軸承30、轉(zhuǎn)軸3、右端蓋1和左端蓋23構(gòu)成；圖3中，徑向輔助軸承4和徑向-軸向輔助軸承22分別安裝在右端蓋1和左端蓋23中；軸向位移傳感器探頭2安裝在右端蓋1上，處于轉(zhuǎn)軸3的軸心線上，檢測轉(zhuǎn)軸3的軸向位移；軸向直流主動磁軸承30緊靠右端蓋1安裝，其左側(cè)為右端傳感器支架51，右端4個徑向位移傳感器探頭61沿圓周均勻分布、固定在右端傳感器支架51上，檢測轉(zhuǎn)軸3右端徑向2個自由度的位移；右端的交流二自由度混合磁軸承29左右兩側(cè)分別有限位套筒131和限位套筒134，限位套筒134右端緊靠右端傳感器支架51，限位套筒131左端緊靠高速主軸電機28;左端的交流二自由度混合磁軸承29左右兩側(cè)分別有限位套筒133和限位套筒132，限位套筒132右端緊靠高速主軸電機28，限位套筒133左端緊靠左端傳感器支架52，左端4個徑向位移傳感器探頭62沿圓周均勻分布、固定在左端緊靠左端蓋23的左端傳感器支架52上，檢測轉(zhuǎn)軸3左端徑向2個自由度的位移。
對照圖3、圖4與圖1、圖2，可以看出，將實施例1的機械結(jié)構(gòu)中的交直流三自由度混合磁軸承替換為交流二自由度混合磁軸承和軸向直流主動磁軸承即可得到實施例2的機械結(jié)構(gòu)。因此，本實施例中，除了上述結(jié)構(gòu)特點以外，其余部分的實施方式可參見優(yōu)選實施例1 。
權(quán)利要求
1、交流混合磁軸承支承的高速電主軸系統(tǒng)，包括壓裝在鋼筒中的交直流三自由度混合磁軸承(27)、高速主軸電機(28)、交流二自由度混合磁軸承(29)、右端蓋(1)、左端蓋(23)和轉(zhuǎn)軸(3)，其特征在于，高速主軸電機(28)安裝在轉(zhuǎn)軸(3)上，所述交直流三自由度混合磁軸承(27)和交流二自由度混合磁軸承(29)分別安裝在高速主軸電機(28)的左右兩側(cè)；軸向位移傳感器探頭(2)安裝在右端蓋(1)上，處于轉(zhuǎn)軸(3)的軸心線上，檢測轉(zhuǎn)軸(3)的軸向位移；徑向輔助軸承(4)固定在右端蓋(1)中；右端4個徑向位移傳感器探頭(61)沿圓周均勻分布、固定在右端蓋(1)與交直流三自由度混合磁軸承(27)之間的右端傳感器支架(51)上，檢測轉(zhuǎn)軸(3)右端徑向2個自由度的位移；高速主軸電機(28)左右兩側(cè)分別安裝有限位套筒(132)和限位套筒(131)，限位套筒(132)左端緊靠交流二自由度混合磁軸承(29)，限位套筒(131)右端緊靠交直流三自由度混合磁軸承(27)；左端傳感器支架(52)緊靠左端蓋(23)，左端4個徑向位移傳感器探頭(62)沿圓周均勻分布、固定在左端傳感器支架(52)上，檢測轉(zhuǎn)軸(3)左端徑向2個自由度的位移；在交流二自由度混合磁軸承(29)與左端傳感器支架(52)之間安裝有限位套筒(133)進(jìn)行限位；徑向-軸向輔助軸承(22)安裝在左端蓋(23)中。
2、 交流混合磁軸承支承的高速電主軸系統(tǒng)，包括壓裝在鋼筒中的高速主軸電機(28)、 2 個交流二自由度混合磁軸承(29)、軸向直流主動磁軸承(30)、右端蓋(1)、左端蓋(23) 和轉(zhuǎn)軸(3)，其特征在于，高速主軸電機(28)安裝在轉(zhuǎn)軸(3)上，所述兩個交流二自由 度混合磁軸承(29)分別安裝在高速主軸電機(28)左右兩側(cè)，所述軸向直流主動磁軸承(30)安裝在右側(cè)交流二自由度混合磁軸承(29)的右側(cè)；徑向輔助軸承(4)和徑向-軸 向輔助軸承(22)分別安裝在右端蓋(1)和左端蓋(23)中；軸向位移傳感器探頭(2) 安裝在右端蓋(1)上，處于轉(zhuǎn)軸(3)的軸心線上，檢測轉(zhuǎn)軸(3)的軸向位移；軸向直流 主動磁軸承(30)緊靠右端蓋(1)安裝，其左側(cè)為右端傳感器支架(51)，右端4個徑向 位移傳感器探頭(61)沿圓周均勻分布、固定在右端傳感器支架(51)上，檢測轉(zhuǎn)軸(3) 右端徑向2個自由度的位移；右端的交流二自由度混合磁軸承(29)左右兩側(cè)分別有限位 套筒(131)和限位套筒(134)，限位套筒(134)右端緊靠右端傳感器支架(51)，限位套 筒(131)左端緊靠高速主軸電機(28);左端的交流二自由度混合磁軸承(29)左右兩側(cè) 分別有限位套筒(133)和限位套筒(132)，限位套筒(132)右端緊靠高速主軸電機(28)， 限位套筒(133)左端緊靠左端傳感器支架(52)，左端4個徑向位移傳感器探頭(62)沿 圓周均勻分布、固定在左端緊靠左端蓋(23)的左端傳感器支架(52)上，檢測轉(zhuǎn)軸(3) 左端徑向2個自由度的位移。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速電主軸系統(tǒng)，其特征在于，所述交直流三自由度混合磁軸 承(27)包括三自由度混合磁軸承轉(zhuǎn)子(7)、三自由度混合磁軸承徑向控制線圈(8)、三 自由度混合磁軸承徑向定子(9)、三自由度混合磁軸承永磁體(10)、三自由度混合磁軸承 軸向控制線圈(11)和三自由度混合磁軸承軸向定子(12);三自由度混合磁軸承轉(zhuǎn)子(7) 由圓環(huán)形硅鋼片疊壓而成，套裝在系統(tǒng)共用的轉(zhuǎn)軸(3 )上；三自由度混合磁軸承永磁體(10) 為圓環(huán)形且徑向充磁，同時提供軸向-徑向偏磁磁通(31);三自由度混合磁軸承軸向定子(12)采用雙片式定子盤結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)每片三自由度混合磁軸承軸向定子(12)帶有呈 圓周均勻分布的3個散熱通風(fēng)孔，左右三自由度混合磁軸承軸向定子(12)與三自由度混合磁軸承轉(zhuǎn)子(7)分別形成左右軸向氣隙；左右2個三自由度混合磁軸承軸向控制線圈(11)分別緊靠左右2片三自由度混合磁軸承軸向定子(12)，置于內(nèi)側(cè)，通電產(chǎn)生三自由度混合 磁軸承軸向控制磁通(32);三自由度混合磁軸承徑向定子(9)具有3個沿圓周均勻分布 的三自由度混合磁軸承徑向定子磁極(91、 92、 93)，三自由度混合磁軸承徑向定子(9) 處于2片三自由度混合磁軸承軸向定子(12)之間，3個三自由度混合磁軸承徑向定子磁 極(91、 92、 93)與三自由度混合磁軸承轉(zhuǎn)子(7)之間形成徑向氣隙；3個三自由度混合 磁軸承徑向控制線圈(8)繞在3個三自由度混合磁軸承徑向定子磁極(91、 92、 93)上， 采用三相交流功率逆變器驅(qū)動控制，以產(chǎn)生三自由度混合磁軸承徑向控制磁通(33)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述的高速電主軸系統(tǒng)，其特征在于，所述交流二自由 度混合磁軸承(29)包括二自由度混合磁軸承轉(zhuǎn)子(21 )、 二自由度混合磁軸承永磁體(20)、 二自由度混合磁軸承徑向定子(19)、 二自由度混合磁軸承徑向控制線圈(18)， 二自由度 磁軸承轉(zhuǎn)子(19)由圓環(huán)形硅鋼片疊壓而成，套裝在系統(tǒng)共用的轉(zhuǎn)軸(3)上；二自由度混 合磁軸承徑向定子(19)采用2片X3極的雙片式六極結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)每片二自由度混合 磁軸承徑向定子(19)具有沿圓周均勻分布的3個二自由度混合磁軸承徑向定子磁極(191、 192、 193)， 3個二自由度混合磁軸承徑向定子磁極(191、 192、 193)與二自由度混合磁 軸承轉(zhuǎn)子(19)形成徑向氣隙；二自由度混合磁軸承永磁體(20)為圓環(huán)形且軸向充磁， 置于2片二自由度混合磁軸承徑向定子(19)之間，提供靜態(tài)偏磁磁通(34); 二自由度混 合磁軸承徑向控制線圈(18)繞在3個二自由度混合磁軸承徑向定子磁極(191、 192、 193) 上，采用三相交流功率逆變器驅(qū)動控制，以產(chǎn)生徑向控制磁通(35)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的高速電主軸系統(tǒng)，其特征在于，所述鋼筒由鋼筒 外套(16)和鋼筒內(nèi)套(17)構(gòu)成，鋼筒外套(16)和鋼筒內(nèi)套(17)之間具有用于系統(tǒng) 水冷散熱的螺旋溝道。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的高速電主軸系統(tǒng)，其特征在于，所述徑向輔助軸 承(4)采用單滾珠軸承，徑向-軸向輔助軸承(22)采用調(diào)心滾珠軸承。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的高速電主軸系統(tǒng)，其特征在于，所述的位移傳感 器探頭(2、 61、 62)均采用電渦流位移傳感器探頭。
8、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速電主軸系統(tǒng)，其特征在于，所述交直流三自由度混合磁軸 承徑向控制線圈(8)和交流二自由度混合磁軸承徑向控制線圈(18)均采用三相功率逆變 器進(jìn)行驅(qū)動；所述交直流三自由度混合磁軸承軸向控制線圈(11)采用直流開關(guān)功率放大 器提供控制電流；采用霍爾電流傳感器檢測每個控制線圈中的電流。
9、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的高速電主軸系統(tǒng)，其特征在于，所述交流二自由度混合磁軸承 徑向控制線圈(18)采用三相功率逆變器進(jìn)行驅(qū)動，所述軸向直流主動磁軸承控制線圈(25) 采用直流開關(guān)功率放大器提供控制電流；采用霍爾電流傳感器檢測每個控制線圈中的電流。
全文摘要
交流混合磁軸承支承的高速電主軸，包括壓裝在鋼筒中的交直流三自由度混合磁軸承、高速主軸電機、交流二自由度混合磁軸承、左右端蓋和轉(zhuǎn)軸，高速主軸電機安裝在轉(zhuǎn)軸上，所述交直流三自由度混合磁軸承和交流二自由度混合磁軸承分別安裝在高速主軸電機的左右兩側(cè)。采用永磁體提供各自由度靜態(tài)偏磁磁通，交直流三自由度混合磁軸承和交流二自由度混合磁軸承的徑向均采用三極結(jié)構(gòu)、三相逆變器驅(qū)動控制，顯著降低功率放大器的損耗和成本。本發(fā)明實現(xiàn)了零中間傳動，具有無機械摩擦、無需潤滑和密封、高速度、高精度、低功耗，在機械工業(yè)、航天航空等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。
文檔編號H02K7/09GK101465576SQ20081023428
公開日2009年6月24日 申請日期2008年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月28日
發(fā)明者朱熀秋, 鄔清海 申請人:江蘇大學(xué)