專利名稱：長定子混合勵磁直線同步電動機磁懸浮進給平臺的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種磁懸浮進給平臺，特別是涉及一種用于數(shù)控機床的無摩擦、 直接進給的長定子混合勵磁直線同步電動機磁懸浮進給平臺，屬于數(shù)控技術領域。
背景技術：
數(shù)控機床進給平臺在加工過程中的摩擦阻力，特別是在低速時的非線性摩擦不可 避免地影響進給系統(tǒng)的精度，導致進給系統(tǒng)產生爬行以及造成反向死區(qū)。摩擦是引起數(shù)控 機床熱變形的原因之一，是影響加工精度的重要因素。摩擦也是引起磨損、產生噪音的因 素，需要良好的潤滑來提高機床壽命。因此，減小或消除摩擦已成為制約數(shù)控機床進給平臺 性能的技術瓶頸?，F(xiàn)有的數(shù)控機床磁懸浮進給平臺利用永磁直線電動機作為驅動元件，由于氣隙磁 場難以調節(jié)，因此需要附加多點支撐的電磁鐵進行懸浮，裝置復雜，特別是缺乏進給平臺直 接自動懸浮的能力，在機床本體設計時不得不考慮懸浮問題，限制了磁懸浮進給平臺的使 用和推廣，影響磁懸浮進給平臺運行的穩(wěn)定性和可靠性。
發(fā)明內容發(fā)明目的本實用新型提供一種長定子混合勵磁直線同步電動機磁懸浮進給平 臺，其目的是解決以往的數(shù)控機床磁懸浮進給平臺結構復雜、穩(wěn)定性和可靠性差，特別是無 法很好的解決摩擦阻力的技術問題。技術方案本實用新型是通過以下技術方案實現(xiàn)的長定子混合勵磁直線同步電動機磁懸浮進給平臺，其特征在于所述磁懸浮進給 平臺包括進給平臺和長定子混合勵磁直線同步電動機及其控制系統(tǒng)，長定子混合勵磁直線 同步電動機包括定子鐵心和使用時與定子鐵心做相對移動的動子鐵心；進給平臺安裝在動 子鐵心上；在動子鐵心內設置有能推動動子鐵心相對于定子鐵心移動的推力繞組；在定子 鐵心內設置有能使動子鐵心在定子鐵心下懸浮的永磁體和勵磁繞組；在進給平臺上設置有 電渦流傳感器；基座穿過進給平臺和動子鐵心；在基座上設置有長光柵傳感器；勵磁繞組 和電渦流傳感器連接至磁懸浮控制系統(tǒng)；推力繞組和長光柵傳感器連接至進給控制系統(tǒng)。磁懸浮控制系統(tǒng)包括直流PWM變換器、比例調節(jié)器P和電流PI調節(jié)器；電渦流傳 感器連接至比例調節(jié)器P，比例調節(jié)器P連接至電流PI調節(jié)器，電流PI調節(jié)器連接至直流 PWM變換器，直流PWM變換器連接至勵磁繞組；進給控制系統(tǒng)包括SPWM變換器、位置比例調 節(jié)器P、速度PI調節(jié)器、電流PI調節(jié)器和可以產生推力的逆變器；長光柵傳感器連接至位 置比例調節(jié)器P，位置比例調節(jié)器P連接至速度PI調節(jié)器，速度PI調節(jié)器連接至電流PI調 節(jié)器，電流PI調節(jié)器連接至SPWM變換器，SPWM變換器連接至可以產生推力的逆變器，可以 產生推力電流的逆變器與推力繞組連接。所述定子鐵心設置在基座的下面，在基座上部還設置有輔助導軌。長定子混合勵磁直線同步電動機的磁極既是勵磁磁極，同時也是懸浮磁極。[0010]長定子混合勵磁直線同步電動機的永磁體和勵磁繞組固定安裝在基座下方的定 子鐵心中，推力繞組安裝在動子鐵心中隨進給平臺一起運動。進給平臺的水平方向運動和垂直方向的磁懸浮運動，都是由基座下面安裝的同一 臺長定子混合勵直線同步電動機驅動的。磁懸浮力主要由永磁體產生，調節(jié)勵磁繞組的電流能夠改變磁懸浮力，勵磁電流 的大小由懸浮高度來決定。優(yōu)點及效果本實用新型提供一種述長定子混合勵磁直線同步電動機磁懸浮進給 平臺，包括進給平臺和長定子混合勵磁直線同步電動機，所述長定子混合勵磁直線同步電 動機主要包括定子鐵心和可以與定子鐵心做相對運動的動子鐵心，其特征在于所述進給 平臺與動子鐵心固定連接；在所述定子鐵心內設置有勵磁繞組和永磁體，在所述動子鐵心 內設置有推力繞組；在所述進給平臺上設置有電渦流傳感器；在所述定子鐵心上設置有長 光柵傳感器；所述勵磁繞組和電渦流傳感器連接至磁懸浮控制系統(tǒng)；所述推力繞組和長光 柵傳感器連接至進給控制系統(tǒng)。為了解決以往的數(shù)控機床進給平臺存在的問題，本發(fā)明將進給平臺的進給和磁懸 浮由同一臺長定子混合勵磁直線同步電動機同時來實現(xiàn)，也就是說將長定子混合勵磁直線 同步電動機與進給平臺結合起來，將進給平臺直接安裝在長定子混合勵磁直線同步電動機 的動子上，進給平臺的進給運動是由長定子混合勵磁直線同步電動機的切向電磁推力來實 現(xiàn)的，通過調節(jié)推力繞組的電流來改變電磁推力；磁懸浮力是定子上的永磁體和勵磁電流 產生的磁場和電動機的動子鐵心之間產生的單邊磁拉力，通過調節(jié)勵磁電流來調節(jié)磁懸浮 力。長定子混合勵磁直線同步電動機的磁極既是勵磁磁極，同時也是懸浮磁極。這不同于 以往的電磁鐵磁懸浮系統(tǒng)，該發(fā)明是靠電動機自身產生的磁懸浮力來運行，進給平臺具有 直接自動懸浮的能力，能夠克服以往進給平臺電磁鐵多點支撐懸浮、裝置復雜使得其影響 運行穩(wěn)定性和可靠性的技術問題。另夕卜，該實用新型還包括以下技術特征長定子混合勵磁 直線同步電動機的推力繞組電流為整個裝置提供電磁推力，并采用 ~ = 0的矢量控制方式。勵磁電流的大小由磁懸浮控制系統(tǒng)來完成，系統(tǒng)的主電路為直流PWM變換器，采 用懸浮高度與勵磁電流雙閉環(huán)控制。懸浮高度控制器為比例調節(jié)器，以防止懸浮高度超調， 而勵磁電流采用PI調節(jié)器。平臺的進給過程是由進給控制系統(tǒng)來完成的，這是一個位置、速度和電流組成的 三環(huán)控制系統(tǒng)。位置環(huán)為比例調節(jié)器P，速度和電流采用PI調節(jié)器。由于磁力線總是沿磁阻最小的路徑閉合，進給平臺與直線同步電動機的動子直接 相連，在磁拉力作用下，平臺與動子不會向側面偏斜，相當于現(xiàn)有技術中的導向電磁鐵。磁 拉力的作用遠遠大于電磁推力，因此，相當于在電動機的運動方向上兩側有多個導向電磁 鐵。本實用新型具體優(yōu)點如下1、進給平臺的進給和磁懸浮是由同一臺長定子混合勵磁直線同步電動機同時來 完成的，無需電磁鐵多點支撐懸浮，平臺結構簡單、可靠性高。2、進給平臺直接與長定子混合勵磁直線同步電動機的動子固定相連，進給平臺的輔助導軌同時也是直線同步電動機的輔助導軌。3、與以往由純永磁直線同步電動機組成的進給平臺比較，克服了氣隙磁場難以調 節(jié)的缺點。4、與以往電勵磁直線同步電動機組成的進給平臺比較，既有電勵磁直線同步電動 機能夠調節(jié)氣隙磁場的優(yōu)點，同時具有永磁直線同步電動機高效節(jié)能的特點。5、該實用新型的進給平臺為無摩擦直接進給，與導軌之間不存在摩擦阻力，提高 了進給系統(tǒng)的精度和響應速度，消除了爬行以及反向死區(qū)、熱變形、磨損、噪音以及免潤滑， 提高了機床壽命。該實用新型采用長定子混合勵磁直線同步電動機的法向磁拉力使進給平臺懸浮 以消除摩擦，使數(shù)控機床進給平臺在直接驅動的同時能夠從根本上消除摩擦實現(xiàn)無摩擦進 給，而不用象以往那樣單獨另設電動機和電磁鐵；徹底將整個裝置簡化，并且大大提高了工 作效率，對進一步提高數(shù)控機床進給平臺的加工精度具有重要意義。


圖1為本實用新型的長定子混合勵磁直線同步電動機磁懸浮進給平臺結構示意 圖；圖2為本實用新型的長定子混合勵磁直線同步電動機的結構示意圖；圖3為平臺磁懸浮控制系統(tǒng)和進給控制系統(tǒng)原理框圖；圖中標號說明如下1.推力繞組、2.動子鐵心、3.勵磁繞組、4.永磁體、5.定子鐵心、6.輔助導軌、 7.長光柵傳感器、8.電渦流傳感器、9.進給平臺、10.基座、11.磁懸浮控制系統(tǒng)、12.進 給控制系統(tǒng)。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型做進一步的說明如圖1、2所示，一種長定子混合勵磁直線同步電動機磁懸浮進給平臺，包括進給 平臺9和長定子混合勵磁直線同步電動機及其控制系統(tǒng)。所述長定子混合勵磁直線同步電 動機主要包括定子鐵心5和使用時與定子鐵心5做相對移動的動子鐵心2，所述進給平臺9 安裝在動子鐵心2上，基座10穿過進給平臺9和動子鐵心2 ；在所述動子鐵心2內設置有 能推動動子鐵心2相對于定子鐵心5移動的推力繞組1 ；在所述定子鐵心5內設置有能使 動子鐵心2在定子鐵心5下懸浮的永磁體4和勵磁繞組3 ；在所述動子鐵心2內設置有推 力繞組1，推力繞組1可以使得動子鐵心2相對于定子鐵心5做相對移動。勵磁繞組3和推 力繞組1的布線方向與動子鐵心2的運動方向垂直。在所述進給平臺9上設置有電渦流傳 感器8 ；在所述基座10上設置有長光柵傳感器7 ；所述勵磁繞組3和電渦流傳感器8連接至 磁懸浮控制系統(tǒng)11 ；所述推力繞組1和長光柵傳感器7連接至進給控制系統(tǒng)12。如圖3所示，所述磁懸浮控制系統(tǒng)11包括PWM變換器、比例調節(jié)器和電流PI調節(jié) 器；所述電渦流傳感器8連接至比例調節(jié)器P，比例調節(jié)器連接至電流PI調節(jié)器，電流PI 調節(jié)器連接至PWM變換器，PWM變換器連接至勵磁繞組3 ；勵磁繞組3與直流PWM變換器相 連，在氣隙中產生磁場，其大小由懸浮高度來決定。將給定懸浮高度與電渦流傳感器8檢 測到的反饋高度相比較形成誤差信號，該誤差信號通過比例調節(jié)器運算得到勵磁電流的給 定量，經過電流PI調節(jié)器產生直流PWM變換器的控制信號，通過改變占空比來調節(jié)勵磁電流的大小，對氣隙磁場進行調節(jié)，從而改變磁拉力的大小，形成一個懸浮高度的自動調節(jié)系 統(tǒng)，當進給平臺9、動子鐵心2以及進給平臺9所負載的總重量與磁拉力的大小相等時進給 平臺9處于懸浮狀態(tài)，這一過程是由磁懸浮控制系統(tǒng)11來完成的，以保證在負載擾動時懸 浮高度不變。所述進給控制系統(tǒng)12包括SPWM變換器、位置比例調節(jié)器P、速度PI調節(jié)器、電流 PI調節(jié)器和可以產生推力的逆變器；所述SPWM變換器就是正弦波脈沖寬度調制變換器；所 述長光柵傳感器7連接至位置比例調節(jié)器，位置比例調節(jié)器P連接至速度PI調節(jié)器，速度 PI調節(jié)器連接至電流PI調節(jié)器，電流PI調節(jié)器連接至SPWM變換器，SPWM變換器連接至可 以產生推力的逆變器，可以產生推力的逆變器與推力繞組1連接。當在動子鐵心2的推力繞組1中通入三相對稱正弦電流后，在氣隙中產生行波磁 場，該行波磁場與在定子鐵心5上的永磁體4和勵磁繞組3共同產生的勵磁磁場相互作用 下產生電磁推力。進給平臺9的進給過程是由進給控制系統(tǒng)12來完成的，這是一個位置、速度和電 流組成的三環(huán)控制系統(tǒng)。將進給量與長光柵傳感器7檢測到的反饋量相比較形成位置誤差 信號，該誤差信號通過位置比例調節(jié)器運算得到進給速度的給定量，它與由長光柵傳感器 7檢測到的位置信號中分離出的速度反饋信號比較形成進給速度誤差信號，該誤差信號通 過速度PI調節(jié)器運算后形成電流的給定量，再與電流的的反饋量相比較形成電流誤差信 號，該誤差信號通過電流PI調節(jié)器運算得到逆變器的控制信號，通過對推力繞組電流采用
k = 0的矢量控制方式，來完成的系統(tǒng)的調節(jié)作用。因此，進給控制系統(tǒng)12本質上也是一個
位置伺服系統(tǒng)。所述定子鐵心5設置在基座10下部，在基座10上部還設置有輔助導軌6。當磁懸 浮進給平臺9不工作時，停在基座10上的輔助導軌6上，所述動子鐵心2工作時就是沿著 輔助導軌6懸浮移動。該實用新型的平臺進給和磁懸浮由同一臺長定子混合勵磁直線同步電動機同時 來實現(xiàn)，進給平臺直接安裝在長定子混合勵磁直線同步電動機的動子上，平臺的進給運動 是由長定子混合勵磁直線同步電動機的切向電磁推力來實現(xiàn)的，通過調節(jié)推力繞組的電流 來改變電磁推力；磁懸浮力是定子上的永磁體和勵磁繞組共同產生的磁場和電動機的動子 鐵心之間形成的單邊磁拉力，通過調節(jié)勵磁電流來調節(jié)磁懸浮力，這樣，進給平臺就依靠 電動機自身產生的磁懸浮力來運行，具有直接自動懸浮的能力。磁懸浮進給平臺直線同步 電動機的磁極既是勵磁磁極，同時也是懸浮磁極。該實用新型采用長定子混合勵磁直線同步電動機的法向磁拉力使進給平臺懸浮 以消除摩擦，使進給平臺在直接驅動的同時能夠從根本上消除摩擦實現(xiàn)無摩擦進給，并且 不用單獨另設懸浮電磁鐵，對進一步提高數(shù)控機床進給平臺的加工精度具有重要意義，并 且結構簡潔合理，比較利于在數(shù)控領域推廣應用。
權利要求1.長定子混合勵磁直線同步電動機磁懸浮進給平臺，其特征在于所述磁懸浮進給平 臺包括進給平臺(9)和長定子混合勵磁直線同步電動機及其控制系統(tǒng)，長定子混合勵磁直 線同步電動機包括定子鐵心(5)和使用時與定子鐵心(5)做相對移動的動子鐵心(2)；進給 平臺(9)安裝在動子鐵心(2)上；在動子鐵心(2)內設置有能推動動子鐵心(2)相對于定子 鐵心(5)移動的推力繞組(1)；在定子鐵心(5)內設置有能使動子鐵心(2)在定子鐵心(5) 下懸浮的永磁體(4)和勵磁繞組(3);在進給平臺(9)上設置有電渦流傳感器(8);基座(10) 穿過進給平臺(9)和動子鐵心(2)；在基座(10)上設置有長光柵傳感器(7)；勵磁繞組(3) 和電渦流傳感器(8)連接至磁懸浮控制系統(tǒng)(11)；推力繞組(1)和長光柵傳感器(7)連接 至進給控制系統(tǒng)(12)。
2.根據(jù)權利要求1所述的長定子混合勵磁直線同步電動機磁懸浮進給平臺，其特征在 于磁懸浮控制系統(tǒng)(11)包括直流PWM變換器、比例調節(jié)器P和電流PI調節(jié)器；電渦流傳 感器(8)連接至比例調節(jié)器P，比例調節(jié)器P連接至電流PI調節(jié)器，電流PI調節(jié)器連接至 直流PWM變換器，直流PWM變換器連接至勵磁繞組(3)；進給控制系統(tǒng)(12)包括SPWM變換 器、位置比例調節(jié)器P、速度PI調節(jié)器、電流PI調節(jié)器和可以產生推力的逆變器；長光柵傳 感器(7)連接至位置比例調節(jié)器P，位置比例調節(jié)器P連接至速度PI調節(jié)器，速度PI調節(jié) 器連接至電流PI調節(jié)器，電流PI調節(jié)器連接至SPWM變換器，SPWM變換器連接至可以產生 推力的逆變器，可以產生推力電流的逆變器與推力繞組(1)連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的長定子混合勵磁直線同步電動機磁懸浮進給平臺，其特征在 于所述定子鐵心(5)設置在基座(10)的下面，在基座(10)上部還設置有輔助導軌(6)。
4.根據(jù)權利要求1所述的長定子混合勵磁直線同步電動機磁懸浮進給平臺，其特征在 于長定子混合勵磁直線同步電動機的磁極既是勵磁磁極，同時也是懸浮磁極。
5.根據(jù)權利要求1所述的長定子混合勵磁直線同步電動機磁懸浮進給平臺，其特征在 于長定子混合勵磁直線同步電動機的永磁體(4)和勵磁繞組(3)固定安裝在基座(10)下 方的定子鐵心(5)中，推力繞組(1)安裝在動子鐵心(2)中隨進給平臺(9) 一起運動。
6.根據(jù)權利要求1所述的長定子混合勵磁直線同步電動機磁懸浮進給平臺，其特征在 于進給平臺(9)的水平方向運動和垂直方向的磁懸浮運動，都是由基座(10)下面安裝的 同一臺長定子混合勵直線同步電動機驅動的。
7.根據(jù)權利要求1所述的長定子混合勵磁直線同步電動機磁懸浮進給平臺，其特征在 于磁懸浮力主要由永磁體(4)產生，調節(jié)勵磁繞組(3)的電流能夠改變磁懸浮力，勵磁電 流的大小由懸浮高度來決定。
專利摘要本實用新型提供一種長定子混合勵磁直線同步電動機磁懸浮進給平臺，包括進給平臺和長定子混合勵磁直線同步電動機及其控制系統(tǒng)。所述混合勵磁直線同步電動機主要包括定子鐵心、永磁體、勵磁繞組、動子鐵心和推力繞組。其特征在于所述進給平臺安裝在動子鐵心上；在所述動子鐵心內設置有推力繞組；在所述定子鐵心上設置有永磁體和勵磁繞組；在所述進給平臺上設置有電渦流傳感器；在所述基座上設置有長光柵傳感器；所述勵磁繞組和電渦流傳感器連接至磁懸浮控制系統(tǒng)；所述推力繞組和長光柵傳感器連接至進給控制系統(tǒng)。該實用新型采用混合勵磁的直線同步電動機的法向磁拉力使進給平臺懸浮以消除摩擦，對進一步提高數(shù)控機床進給平臺的加工精度具有重要意義。
文檔編號B23Q5/34GK201848722SQ20102061431
公開日2011年6月1日 申請日期2010年11月19日 優(yōu)先權日2010年11月19日
發(fā)明者張鳳閣, 張振興, 張武, 楊波, 藍益鵬 申請人:沈陽工業(yè)大學