[发明专利]一种五自由度数控机床高速磁悬浮电主轴

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。