一种五自由度数控机床高速磁悬浮电主轴

摘要

本发明公开一种五自由度数控机床高速磁悬浮电主轴，该电主轴包括安装于钢筒上的转轴（1）、1个二自由度磁悬浮异步电动机和2个三自由度交直流混合磁轴承，所二自由度磁悬浮异步电动机通过二自由度磁悬浮异步电机转子（18）安装于转轴（1）上，所述2个三自由度交直流混合磁轴承经三自由度交直流混合磁轴承转子（12）对称安装于转轴（1）二自由度磁悬浮异步电动机两侧的转轴（1）上；所述任一三自由度交直流混合磁轴承与二自由度磁悬浮异步电机组合形成五自由度磁悬浮异步电机。该电主轴不需要润滑，不仅缩短了轴向空间，结构对称，可灵活组成五自由度磁悬浮异步电机，能在满足高速运行的前提下大幅提高无故障运行时间，降低能量损耗。

说明书

技术领域

本发明是将磁悬浮异步电机、磁轴承与数控机床电主轴相结合，构建了一种新型的五自由度数控机床高速磁悬浮电主轴，它是集磁悬浮技术、电气传动技术、自动控制技术、高速加工技术、数字控制技术于一体的新产品，涉及到电气工程、机械工程、控制工程等科学领域，可以广泛应用于数控车床、数控铣床、数控磨床、各种高速离心机、高速旋碾机、高速试验机等。

技术背景

目前，国内外数控机床电主轴支承轴承主要有动静压轴承、陶瓷轴承和磁轴承磁悬浮轴承等。动静压轴承由于受到轴承内滚动体表面速度的限制，达不到所期望的高速、超高速；陶瓷轴承可以将最高转速提高20%~30%，但轴承的寿命较短，最多也只有数千小时；磁轴承转速高5 000~80 000r/min，寿命长，可以运行上万小时，但在不同的应用领域依然存在如下问题：一方面磁轴承支承的电机由于安装在电机两端的磁轴承占据一定长度，导致电机轴向长度加长，增加高精度控制难度，限制了电机的临界转速和输出功率；另一方面，磁轴承需要一定数量的铁芯和励磁线圈、高性能功率放大驱动电路、价格昂贵的位移传感器和高品质数字控制器，体积大、成本高，大大影响了磁轴承支承的高速电机的使用范围和广泛应用。因此，迫切需要研制一种体积小、重量轻、效率高、功率因数高、结构简单的集高速电机与磁轴承功能于一体的磁悬浮高速电主轴系统。

发明内容

本发明的目的是提出一种将旋转和悬浮磁路有机结合的新型数控机床高速磁悬浮电主轴。

本发明的技术方案是：一种五自由度数控机床高速磁悬浮电主轴，包括安装于缸筒内的转轴、1个二自由度磁悬浮异步电动机和2个三自由度交直流混合磁轴承，所二自由度磁悬浮异步电动机通过二自由度磁悬浮异步电机转子安装于转轴上，所述2个三自由度交直流混合磁轴承经三自由度交直流混合磁轴承转子对称安装于转轴二自由度磁悬浮异步电动机两侧的转轴上；所述任一三自由度交直流混合磁轴承与二自由度磁悬浮异步电机组合形成五自由度磁悬浮异步电机。所述缸筒包括缸筒外套、缸筒内套和缸筒螺旋管，后端盖为缸筒密封和固定作用。所述二自由度磁悬浮异步电动机还包括二自由度磁悬浮异步电机转矩控制绕组和二自由度磁悬浮异步电机悬浮控制绕组，二自由度磁悬浮异步电机转矩控制绕组和二自由度磁悬浮异步电机悬浮控制绕组镶嵌于缸筒内套的定子槽中。

所述2个三自由度交直流混合磁轴承镶嵌于缸筒内套上，所述三自由度交直流混合磁轴承上固定着轴向定子和径向定子，所述轴向定子和径向定子上固定永磁体，所述永磁体上缠绕着三自由度磁轴承径向控制绕组和三自由度磁轴承轴向控制绕组。

所述缸筒内套上装有用于检测电主轴在径向和轴向的位移的轴向位移传感器、径向位移传感器和位移传感器基准环，位移传感器基准环为径向位移传感器提供径向位移测量基准。

所述调心轴承是起保护作用的辅助轴承，防止突然断电或磁轴承系统失控时，三自由度交直流混合磁轴承转子与轴向定子相碰，损坏转子。

所述二自由度磁悬浮异步电动机转子采用鼠笼型转子，所述二自由度磁悬浮异步电机转矩控制绕组7是靠近内圆的三相绕组Z_A，Z_B，Z_C，所述二自由度磁悬浮异步电机悬浮控制绕组8为外圆的三相绕组X_A，X_B，X_C，所述二自由度磁悬浮异步电机转矩控制绕组和二自由度磁悬浮异步电机悬浮控制绕组均采用单层交叉式绕制方式，星型(Y)连接，并绕根数为1，并联支路数为1。

所述二自由度磁悬浮异步电机转矩控制绕组和二自由度磁悬浮异步电机悬浮控制绕组每槽导体匝数分别为41匝，串联导体的线径均为0.71mm，二自由度磁悬浮异步电机的定子参数为：内径98mm，外径155mm，槽数36，铁芯长度为105mm；二自由度磁悬浮异步电动机转子18的参数为：内径38mm，外径97.4mm，，槽数，32，，铁芯长度为105mm；二自由度磁悬浮异步电机的定子和二自由度磁悬浮异步电动机转子的气隙为0.3mm。

所述三自由度交直流混合磁轴承转子为径向轴向三自由度定位转子。所述三自由度交直流混合磁轴承转子、轴向定子和径向定子均采用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，所述永磁体6采用NdFeB；所述三自由度磁轴承径向控制绕组和三自由度磁轴承轴向控制绕组的线圈采用0.8mm直径的漆包铜线，轴向径向气隙均为0.3mm。

本发明的有益效果：该电主轴不需要润滑，不仅缩短了轴向空间，结构对称，可根据负载特点灵活组成五自由度磁悬浮异步电机，能在满足高速运行的前提下大幅提高无故障运行时间，降低能量损耗，突破了大功率和超高速的限制，有利于产业化实现。

附图说明

图1  五自由度数控机床高速磁悬浮电主轴的基本结构；

图2  二自由度磁悬浮异步电机绕组结构；

图3  二自由度磁悬浮异步电机的绕组绕制方式，（a）转矩控制绕组绕制方式；（b）悬浮控制绕组绕制方式；

图4  三自由度交直流混合磁轴承基本结构；

其中： 1.转轴， 2.调心轴承，3. 径向位移传感器，4. 三自由度磁轴承径向控制绕组，5. 三自由度磁轴承轴向控制绕组，6.永磁体，7. 二自由度磁悬浮异步电机转矩控制绕组，8. 二自由度磁悬浮异步电机悬浮控制绕组，9. 后端盖 10.轴向位移传感器，11. 位移传感器基准环，12. 三自由度交直流混合磁轴承转子，13.轴向定子，14.径向定子，15. 缸筒螺旋管，16. 缸筒外套，17. 缸筒内套， 18.二自由度磁悬浮异步电机转子，19. 定位环。

具体实施方式

根据二自由度磁悬浮异步电动机和三自由度交直流混合磁轴承的悬浮机理，提出由1个二自由度磁悬浮异步电动机与2个三自由度交直流混合磁轴承构成的一种对称型稳定结构的五自由度数控机床高速磁悬浮电主轴，任一个三自由度交直流混合磁轴承与二自由度磁悬浮异步电机组合，都可形成五自由度磁悬浮异步电机，缩短了由二个磁轴承来支撑高速异步电机的磁悬浮电主轴的轴向长度，提高了电主轴的运行稳定性，可实现高速、超高速运行。本发明采用Ansoft软件中的电机设计模块RMxprt 5.0 和有限元分析模块Maxwell2D/3D对二自由度磁悬浮异步电动机和三自由度交直流混合磁轴承结构和参数进行优化设计，得出对称型五自由度数控机床高速磁悬浮电主轴的关键部件二自由度磁悬浮异步电动机的绕组结构、绕制方式和参数，以及三自由度交直流混合磁轴承的结构和参数。

根据二自由度磁悬浮异步电动机和三自由度交直流混合磁轴承的悬浮机理，提出将1个二自由度磁悬浮异步电动机与2个三自由度交直流混合磁轴承相结合，构成对称型五自由度数控机床高速磁悬浮电主轴结构，如图1所示：转轴1上装有二自由度磁悬浮异步电机转子18，在转轴的左端装有三自由度交直流混合磁轴承转子12，在转轴的右端装有三自由度交直流混合磁轴承转子12。转轴1、二自由度磁悬浮异步电机转子18、左端三自由度交直流混合磁轴承转子12三者可构成五自由度磁悬浮异步电机转子主体；也可由转轴1、二自由度磁悬浮异步电机转子18、右端三自由度交直流混合磁轴承转子12三者构成五自由度磁悬浮异步电机转子主体。这样可以根据机床电主轴的控制特点，灵活构建对称型高速磁悬浮电主轴转子的主体。在电机缸筒内套17上，镶嵌上二自由度磁悬浮异步电机转矩控制绕组7和二自由度磁悬浮异步电机悬浮控制绕组8，与普通异步电机不同的是，绕组分二自由度磁悬浮异步电机转矩控制绕组7和二自由度磁悬浮异步电机悬浮控制绕组8，两者一起缠绕在定子槽中。为了实现磁悬浮电主轴的对称稳定运行，在缸筒内套17中嵌入2个三自由度交直流混合磁轴承，左端三自由度交直流混合磁轴承中永磁体6上缠绕着三自由度磁轴承径向控制绕组4和三自由度磁轴承轴向控制绕组5，右端三自由度交直流混合磁轴承中永磁体6上缠绕着三自由度磁轴承径向控制绕组4和三自由度磁轴承轴向控制绕组5。在缸筒内套17装入轴向位移传感器10和径向位移传感器3用于检测电主轴在径向和轴向的位移。将其位移信息送入控制器，用于高速磁悬浮电主轴的运行控制。

二自由度磁悬浮异步电机的定子绕组结构如图2所示，转子采用鼠笼型转子，定子槽中有两套绕组，靠近内圆的三相绕组Z_A，Z_B，Z_C为转矩控制绕组，转矩控制绕组控制磁悬浮异步电机的电磁转矩；靠近外圆的三相绕组X_A，X_B，X_C为悬浮绕组，为悬浮力的控制提供控制磁场，即控制电机转轴的径向悬浮。要使磁悬浮异步电机产生可控的径向悬浮力，两套绕组的极对数必须满足p₂=p₁±1，且ω₁=ω₂，其中p₁，ω₁分别为转矩控制绕组的极对数和电角频率， p₂，ω₂分别为悬浮控制绕组的极对数和电角频率。图2中，转矩绕组的极对数p₁=1，悬浮绕组的极对数p₂=2。

二自由度磁悬浮异步电机转矩控制绕组7和二自由度磁悬浮异步电机悬浮控制绕组8绕制方式如图3所示，其中，(a）为转矩控制绕组接线图，(b）为悬浮控制绕组接线图，两套绕组均采用单层交叉式绕制方式，星型(Y)连接，并绕根数为1，并联支路数为1。二极转矩绕组和四极悬浮绕组每槽导体匝数分别为41匝，串联导体的线径均为0.71mm，二自由度磁悬浮异步电机的定子参数为：内径98mm，外径155mm，槽数36，铁芯长度为105mm；二自由度磁悬浮异步电动机转子18的参数为：内径38mm，外径97.4mm，槽数32，铁芯长度为105mm；二自由度磁悬浮异步电机的定子和二自由度磁悬浮异步电机的转子之间的气隙为0.3mm。

图4是三自由度交直流混合磁轴承结构示意图。三自由度交直流混合磁轴承转子12穿过三自由度交直流混合磁轴承的中心，在轴承上固定着轴向定子13和径向定子14，在此上面固定永磁体6，永磁体6上缠绕着三自由度磁轴承径向控制绕组4和三自由度磁轴承轴向控制绕组5。三自由度磁轴承径向控制绕组4的三个控制线圈通入三相交流电，相当于一个转矩绕组极对数置0、径向悬浮力绕组极对数为1的磁悬浮电机，满足p₂=p₁±1。三自由度交直流混合磁轴承采用径向轴向三自由度定位转子；三自由度交直流混合磁轴承转子12、轴向定子13和径向定子14均采用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，有效减小涡流损耗及磁滞损耗；永磁体6采用新型稀土材料NdFeB；绕组线圈材料为0.8mm直径的漆包铜线，磁轴承轴向、径向定转子之间的气隙均为0.3mm。径向承载力：F_r≥200N，轴向承载力：F_z≥150N。