專(zhuān)利名稱(chēng)：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：
本實(shí)用新型屬于機(jī)電傳動(dòng)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(jī)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(lèi)高速高精旋轉(zhuǎn)機(jī)械的五 自由度懸浮支承，可用于真空技術(shù)、純凈潔室、無(wú)菌車(chē)間以及腐蝕性介質(zhì)或非常純凈介質(zhì) 的傳輸?shù)忍厥鈭?chǎng)合，在高速高精數(shù)控機(jī)床、機(jī)械制造工業(yè)、生命科學(xué)、航空航天等領(lǐng)域具 有無(wú)可替代的應(yīng)用價(jià)值。
背景技術(shù)：
磁軸承是利用磁場(chǎng)力將轉(zhuǎn)子懸浮于空間，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子與定子之間無(wú)機(jī)械接觸的高科技 機(jī)電一體化產(chǎn)品。磁軸承支承的電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)速高、功耗低、無(wú)摩擦、無(wú)磨損、無(wú) 需潤(rùn)滑和密封、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可用于真空技術(shù)、純凈潔室和無(wú)菌車(chē)間等特殊場(chǎng)合。
電主軸是將電機(jī)套裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)械主軸上，實(shí)現(xiàn)電機(jī)直接帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械主軸旋轉(zhuǎn)的零傳 動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)。由于電主軸實(shí)現(xiàn)了無(wú)齒輪、聯(lián)軸節(jié)、皮帶等中間傳動(dòng)裝置和變速機(jī)構(gòu)，所以 大大簡(jiǎn)化了旋轉(zhuǎn)機(jī)械的結(jié)構(gòu)，消除了由于中間傳動(dòng)裝置和變速機(jī)構(gòu)引起的振動(dòng)、機(jī)械摩擦、 機(jī)械噪音和能量損耗，提高了旋轉(zhuǎn)機(jī)械的控制精度和機(jī)械效率。
因此，將磁軸承支承技術(shù)應(yīng)用到旋轉(zhuǎn)機(jī)械電主軸上成為了上世紀(jì)70年代至今的一個(gè)研 究熱點(diǎn)。1977年S2M公司開(kāi)發(fā)了世界上第一臺(tái)高速機(jī)床用的磁浮電主軸，并在1981年德 國(guó)Hanover歐洲國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)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(chǎng)表演。隨后瑞士、 R本、美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)和中國(guó)等國(guó)家的研究人員 相繼開(kāi)展了對(duì)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(gè)直流混合磁軸承來(lái)支承，其中2個(gè)徑向磁軸承， 每個(gè)徑向磁軸承控制徑向相互垂直的兩個(gè)方向，另1個(gè)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(jià)格高，體積大，l個(gè)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(jià)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
本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)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(diǎn)，設(shè)計(jì)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(yùn)行的交流混合磁軸承支承的五自由度高速電主軸系統(tǒng)。
本實(shí)用新型的目的還在于，對(duì)用于支承電主軸、實(shí)現(xiàn)電主軸在5個(gè)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(jì)。在保證電主軸系統(tǒng)懸浮所需的承載力的前提下，設(shè)計(jì) 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(gè)電主軸系統(tǒng)的體 積、顯著降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。設(shè)計(jì)出一種能夠用于高速高精數(shù)控機(jī)床、機(jī)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(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)方案有兩種。
本實(shí)用新型的一種技術(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(jī)、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(jī)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(jī)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(xiàn)上，檢測(cè)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(gè)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(cè)轉(zhuǎn)軸右端徑向2個(gè) 自由度的位移；高速主軸電機(jī)左右兩側(cè)分別安裝有限位套筒，高速主軸電機(jī)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(jī)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(gè)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(cè)轉(zhuǎn)軸左端徑向2個(gè)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。
本實(shí)用新型的另一種技術(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(jī)、兩個(gè)交流二 自由度混合磁軸承、軸向直流主動(dòng)磁軸承、左右端蓋和轉(zhuǎn)軸，高速主軸電機(jī)安裝在轉(zhuǎn)軸上， 所述兩個(gè)交流二自由度混合磁軸承分別安裝在高速主軸電機(jī)左右兩側(cè)，所述軸向直流主動(dòng) 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(xiàn) 上，檢測(cè)轉(zhuǎn)軸的軸向位移；軸向直流主動(dòng)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(gè)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(cè)轉(zhuǎn)軸右 端徑向2個(gè)自由度的位移；高速主軸電機(jī)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(jī)右側(cè)的限位套筒，左端的交流二自由度混合磁軸承右端套筒；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(gè)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(cè)轉(zhuǎn)軸左端徑向2個(gè)自由度的位移。
本實(shí)用新型的兩種技術(shù)方案，采用了不同的機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)主要由2個(gè)交流二自由度混合磁軸承、高 速主軸電機(jī)、軸向直流主動(dòng)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(xiàn)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(xiàn)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(shí)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(pán)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(gè)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(gè)三自由度混合磁軸承軸向控制線(xiàn)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(gè)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(gè)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(gè)三自由度混合磁軸承徑向控制線(xiàn)圈 繞在3個(gè)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(dòng)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(xiàn)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(gè)二自由度混合磁軸承徑向定子磁極，3個(gè)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(xiàn)圈繞在3個(gè)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(dòng)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(xiàn)圈和交流二自由度混合磁軸承徑向控制 線(xiàn)圈均采用三相功率逆變器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而交直流三自由度混合磁軸承軸向控制線(xiàn)圈和軸向 直流主動(dòng)磁軸承控制線(xiàn)圈采用直流開(kāi)關(guān)功率放大器提供控制電流；采用霍爾電流傳感器檢 測(cè)每個(gè)控制線(xiàn)圈中的電流。
本實(shí)用新型的有益效果在于
1. 與傳統(tǒng)機(jī)械軸承支承的電主軸系統(tǒng)相比，本實(shí)用新型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(wú)需潤(rùn)滑、功耗低、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、轉(zhuǎn)速高、控制精度高、承載 力大、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)高速、高精、成本低、實(shí)用性強(qiáng)的要求。
2. 采用高速主軸電機(jī)直接帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了無(wú)齒輪、聯(lián)軸節(jié)、皮帶等中 間傳動(dòng)裝置和變速機(jī)構(gòu)，數(shù)控鉆床、銑床、磨床等機(jī)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(shí)現(xiàn)了電機(jī)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(dòng)，消除了由于中間傳動(dòng)裝置和變速機(jī)構(gòu)引起的振動(dòng)、機(jī) 械摩擦、機(jī)械噪音和能量損耗，提高了系統(tǒng)的控制精度和機(jī)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(shí)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(gè)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， 而本實(shí)用新型中的交直流三自由度混合磁軸承只用1個(gè)三相交流逆變器即可完全驅(qū)動(dòng)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(gè)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. 采用電渦流位移傳感器對(duì)旋轉(zhuǎn)主軸位移進(jìn)行差動(dòng)檢測(cè)，并采用高性能的數(shù)字信號(hào)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(shí)現(xiàn)高速高精的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)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(jī)械結(jié)構(gòu) 示意圖2為本實(shí)用新型實(shí)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(jī)械結(jié)構(gòu) 的主體部件構(gòu)成示意圖3為本實(shí)用新型實(shí)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(jī)械結(jié)構(gòu) 示意圖4為本實(shí)用新型實(shí)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(jī)械結(jié)構(gòu) 的主體部件構(gòu)成示意圖5為本實(shí)用新型實(shí)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為本實(shí)用新型實(shí)施例1和實(shí)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為本實(shí)用新型實(shí)施例1和實(shí)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(xiàn)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(gè)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(xiàn)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(jī)轉(zhuǎn)子，15 為高速主軸電機(jī)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(xiàn)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(dòng)磁軸承定子，25為軸向直流主動(dòng)磁軸承 控制線(xiàn)圈，26為軸向直流主動(dòng)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(jī)，29為交流二自由度混合磁軸承，30為軸向直流主動(dòng)磁軸承；帶箭頭的實(shí)線(xiàn)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(diǎn)畫(huà)線(xiàn)32 表示三自由度混合磁軸承軸向控制線(xiàn)圈產(chǎn)生的軸向控制磁通回路，帶箭頭的虛線(xiàn)33表示三 自由度混合磁軸承徑向控制線(xiàn)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(shí)線(xiàn)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(xiàn)35 表示二自由度混合磁軸承徑向控制線(xiàn)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(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例做進(jìn)一歩說(shuō)明。
本實(shí)用新型首先設(shè)計(jì)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(dòng)磁軸承的機(jī)械結(jié)構(gòu)和磁路結(jié)構(gòu)；然后設(shè)計(jì)出其它相關(guān)部件的機(jī)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(duì)系統(tǒng)5個(gè)自由度的位移進(jìn)行檢測(cè)，而交直流三自由度混合磁軸承、交流二自山
度混合磁軸承以及軸向直流主動(dòng)磁軸承的控制線(xiàn)圈中的電流采用霍爾電流傳感器進(jìn)行檢
測(cè)；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(xiàn)圈均采用三相功
率逆變器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而交直流三自由度混合磁軸承和軸向直流主動(dòng)磁軸承的軸向控制線(xiàn)圈
采用直流開(kāi)關(guān)功率放大器提供控制電流；最后采用TI公司的TMS320F2812 DSP、位移檢
測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、三相功率逆變器驅(qū)動(dòng)電路以及軸向丌關(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(jī)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)。
本實(shí)用新型的一個(gè)優(yōu)選實(shí)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(jī)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(jī)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1上，處于轉(zhuǎn)軸3的軸心線(xiàn)上，檢測(cè)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(gè)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(cè)轉(zhuǎn)軸3右端徑向2個(gè)自由
度的位移；高速主軸電機(jī)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(gè)徑向位移傳感器探頭62沿圓周均勻
10分布、固定在左端傳感器支架52上，檢測(cè)轉(zhuǎn)軸3左端徑向2個(gè)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(xiàn)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(xiàn)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10為圓環(huán)形且徑向充磁，同時(shí)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(pán)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(gè)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(gè)三自由度混合磁軸承軸向控制線(xiàn)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(gè)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(gè)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(gè)三自由度混合磁軸承徑向控制線(xiàn)圈8繞在3個(gè)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(dòng)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(xiàn)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(gè)二自由度混合磁軸承徑向定子磁極191、 192和193， 3個(gè)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(xiàn)圈18繞在3個(gè)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(dòng)控制，以產(chǎn)生徑向控制磁通35。
如圖1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(jī)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，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(dòng)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(dòng)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(duì)機(jī)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(zhǎng)度為磁軸承氣隙長(zhǎng)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(cè)系統(tǒng)5個(gè)自由度上的位移，采用霍爾電流傳感器檢測(cè)三自由度混合磁軸承徑向控制線(xiàn)圈8、 二自由度混合磁軸承徑向控制線(xiàn)圈18、三自由度混合磁軸承軸向控制線(xiàn)圈11以及軸向直流主動(dòng)磁軸承控制線(xiàn)圈25中的電流，以TI公司TMS320F2812DSP為核心，結(jié)合位移檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路和功率驅(qū)動(dòng)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(shí)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(jī)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(jī)28、 2個(gè)交流二自由度混合磁軸承29、軸向直流主動(dòng)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(xiàn)上，檢測(cè)轉(zhuǎn)軸3的軸向位移；軸向直流主動(dòng)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(gè)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(cè)轉(zhuǎn)軸3右端徑向2個(gè)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(jī)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(jī)28，限位套筒133左端緊靠左端傳感器支架52，左端4個(gè)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(cè)轉(zhuǎn)軸3左端徑向2個(gè)自由度的位移。
對(duì)照?qǐng)D3、圖4與圖1、圖2，可以看出，將實(shí)施例1的機(jī)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(dòng)磁軸承即可得到實(shí)施例2的機(jī)械結(jié)構(gòu)。因此，本實(shí)施例中，除了上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以外，其余部分的實(shí)施方式可參見(jiàn)優(yōu)選實(shí)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(jī)(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(jī)(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(jī)(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(xiàn)上，檢測(cè)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(gè)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(cè)轉(zhuǎn)軸(3)右端徑向2個(gè)自由度的位移；高速主軸電機(jī)(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(gè)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(cè)轉(zhuǎn)軸(3)左端徑向2個(gè)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(jī)(28)、 2 個(gè)交流二自由度混合磁軸承(29)、軸向直流主動(dòng)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(jī)(28)安裝在轉(zhuǎn)軸(3)上，所述兩個(gè)交流二自由 度混合磁軸承(29)分別安裝在高速主軸電機(jī)(28)左右兩側(cè)，所述軸向直流主動(dòng)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(xiàn)上，檢測(cè)轉(zhuǎn)軸(3)的軸向位移；軸向直流 主動(dòng)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(gè)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(cè)轉(zhuǎn)軸(3) 右端徑向2個(gè)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(jī)(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(jī)(28)， 限位套筒(133)左端緊靠左端傳感器支架(52)，左端4個(gè)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(cè)轉(zhuǎn)軸(3) 左端徑向2個(gè)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(xiàn)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(xiàn)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(shí)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(pán)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(gè)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(gè)三自由度混合磁軸承軸向控制線(xiàn)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(gè)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(gè)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(gè)三自由度混合 磁軸承徑向控制線(xiàn)圈(8)繞在3個(gè)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(dòng)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(xiàn)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(gè)二自由度混合磁軸承徑向定子磁極(191、 192、 193)， 3個(gè)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(xiàn)圈(18)繞在3個(gè)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(dòng)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(xiàn)圈(8)和交流二自由度混合磁軸承徑向控制線(xiàn)圈(18)均采用三相功率逆變 器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；所述交直流三自由度混合磁軸承軸向控制線(xiàn)圈(11)采用直流開(kāi)關(guān)功率放大 器提供控制電流；采用霍爾電流傳感器檢測(cè)每個(gè)控制線(xiàn)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(xiàn)圈(18)采用三相功率逆變器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，所述軸向直流主動(dòng)磁軸承控制線(xiàn)圈(25) 采用直流開(kāi)關(guān)功率放大器提供控制電流；采用霍爾電流傳感器檢測(cè)每個(gè)控制線(xiàn)圈中的電流。
專(zhuān)利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(jī)、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(jī)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(jī)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(dòng)控制，顯著降低功率放大器的損耗和成本。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了零中間傳動(dòng)，具有無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)需潤(rùn)滑和密封、高速度、高精度、低功耗，在機(jī)械工業(yè)、航天航空等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H02K7/09GK201307808SQ20082021611
公開(kāi)日2009年9月9日 申請(qǐng)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(qǐng)人:江蘇大學(xué)