[发明专利]一种五自由度交流六极主动磁轴承支承的电主轴

说明书

本发明公开一种五自由度交流六极主动磁轴承支承的电主轴，包括三自由度主动磁轴承、高速主轴电机、二自由度主动磁轴承、转轴，转轴与三自由度主动磁轴承的转子、高速主轴电机、二自由度主动磁轴承的转子均同轴心固定连接。三自由度主动磁轴承和二自由度主动磁轴承均采用三相逆变器驱动控制，显著减少了功率放大电路的功耗与成本，两个主动磁轴承在径向均采用六极结构，使得悬浮力特性的非线性和耦合关系大大减小，更易于实现精确控制。本发明实现电机与旋转主轴之间无摩擦旋转，具有无机械摩擦磨损、无噪音、低功耗、高速度和高精度等优点。

技术领域

本发明属于机电传动领域，涉及一种非机械接触式磁轴承电主轴，特指一种五自由度交流六极主动磁轴承支承的电主轴，适用于高速、超高速、高精度的数控机床，在航空航天、风力发电、生物医学、飞轮系统、以及其他工业领域具有广阔的应用前景。

背景技术

磁轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间，实现转子和定子之间没有任何机械接触的一种新型高性能轴承，具有无摩擦、无磨损、无需润滑和密封、高速度、高精度、寿命长等一系列优良品质，从根本上改变了传统的支承形式，当机械轴承支承的电主轴转速过高时，由于存在摩擦，会产生主轴温升高、产生热变形、振动加强、轴承寿命大大缩短等一系列问题。而磁轴承的特点完全满足高速电主轴对高速、高精度、长寿命的要求，并且可以对转轴位置进行实时监测，也可以对转轴振动进行主动抑制。

磁轴承按对悬浮转子施加的受控自由度数可分为单自由度磁轴承(轴向磁轴承)、二自由度磁轴承(径向磁轴承)和三自由度磁轴承(径向-轴向磁轴承)。按悬浮磁力产生方式可以分为主动磁轴承(悬浮力由线圈电流产生)、被动磁轴承(悬浮力由永磁体产生)和混合磁轴承(悬浮力由永磁体和线圈电流共同产生)。其中主动磁轴承利用线圈同时提供偏置磁通及控制磁通，因此磁场是可控的，偏置磁通调控范围广，可提供较大的静态承载力。目前大部分磁轴承都采用四极、八极结构，这种结构驱动电路体积大，控制复杂，成本较高。因此，这些磁轴承结构限制了其在工程中实际应用范围。

中国专利(CN200810234272.2)公开了一种交流磁轴承支承的高速电主轴系统，交流磁轴承由三相功率逆变器驱动，三相逆变器功耗低、技术成熟、成本低，因此可以大大降低开发周期及项目成本，但该电主轴采用的是径向结构为三极的磁轴承，三极磁轴承由于其结构的不对称性，两个自由度之间的非线性和耦合关系非常强，不利于精确控制。

发明内容

本发明的目的是基于新型磁轴承的优势，为了减小功耗、降低成本、提高承载力、提高五自由度磁轴承的悬浮力特性，设计了一种五自由度交流六极主动磁轴承支承的电主轴。

本发明的技术方案为：

一种五自由度交流六极主动磁轴承支承的电主轴，包括钢筒中心轴处同轴安装的转轴，转轴上依次固定安装有六极三自由度主动磁轴承、高速主轴电机、六极二自由度主动磁轴承，钢筒的前后两端与转轴同轴各安装有辅助轴承，转轴穿过辅助轴承，转轴的前后两端各安装有径向传感器，转轴的后端还安装有轴向传感器；所述径向传感器和轴向传感器均采用电涡流位移传感器；所述钢筒的前后两端均连接端盖，端盖的中心处与转轴同轴。

上述方案中，所述六极三自由度主动磁轴承包括轴向控制线圈、第一径向控制线圈、第一径向磁极、第一径向定子、轴向定子及第一转子，转轴外侧依次套接有第一转子、第一径向定子、轴向定子，第一径向定子轴向两端分别安装有轴向控制线圈，第一径向定子的内环面沿圆周方向均匀布置有六个第一径向磁极，每个第一径向磁极上均缠绕有第一径向控制线圈，第一径向磁极与第一转子之间设有径向气隙；所述第一径向定子的轴向长度小于第一转子的轴向长度；所述第一转子和第一径向定子均由硅钢片叠压而成，第一径向控制线圈采用带绝缘漆的铜线，轴向定子采用双片式结构。