[发明专利]基于单楔形电机的空气静压电主轴及其控制方法

权利要求书

1.一种空气静压电主轴的控制方法，其特征在于，应用于基于单楔形电机的空气静压电主轴的控制器中，所述单楔形电机为永磁同步电机且采用逆变器供电，所述空气静压电主轴包括：

机壳，

设置在所述机壳内壁的冷却组件，

设置在所述机壳内的主轴本体，

分别套设于所述主轴本体上下两端的径向空气轴承组件和径-轴向复合空气轴承组件，

设置于所述主轴本体中部且与所述主轴本体同轴的单楔形电机，所述主轴本体可在所述单楔形电机的驱动下转动，所述单楔形电机包括安装有楔形永磁体磁极的转子和定子铁心为楔形的定子；

该方法包括：

S10、通过轴向位移传感器实时采集电主轴的轴向位移信号，基于所述轴向位移信号得到轴向位移偏差量；

S20、基于当前的目标轴向磁拉力、目标转矩和通过位置传感器实时检测得到的转子位置角，通过查询预先建立的转矩-交直轴二维电流表、轴向磁拉力-交直轴二维电流表得到交轴电流给定值和直轴电流给定值；

S30、基于实时采集的交轴电流信号计算得到对外输出转矩，计算所述目标转矩和所述对外输出转矩的差值后通过比例积分算法得到交轴电流扰动量；计算预设的零轴向位移偏差量和所述轴向位移偏差量的差值后通过比例积分算法得到直轴电流扰动量；

S40、将所述交轴电流给定值与所述交轴电流扰动量的和作为交轴电流实际给定值，将所述直轴电流给定值与所述直轴电流扰动量的和作为直轴电流实际给定值，通过双闭环矢量控制法，得到所述逆变器的矢量控制信号；

S50、基于所述矢量控制信号控制所述逆变器输出至所述单楔形电机的三相电流。

2.根据权利要求1所述的空气静压电主轴的控制方法，其特征在于，所述转矩-交直轴二维电流表和所述轴向磁拉力-交直轴二维电流表是通过建立所述单楔形电机的有限元模型仿真得到，或者通过以所述单楔形电机为实验对象，通过电机标定试验获取实验数据后计算得到。

3.根据权利要求1所述的空气静压电主轴的控制方法，其特征在于，所述对外输出转矩的计算方法为：

其中，n_p为所述单楔形电机的极对数，ψ_f为所述单楔形电机的转子磁链，I_q为交轴电流。

4.根据权利要求1所述的空气静压电主轴的控制方法，其特征在于，所述单楔形电机产生轴向磁拉力Fa，所述轴向磁拉力方向为由大楔形锥口面指向小楔形锥口面，所述轴向磁拉力的大小为：

其中，D_av为所述单楔形电机转子平均直径，α为楔形永磁体磁极相对于轴向方向的夹角，L_efi为所述楔形永磁体磁极4轴向分成n等分之后的有效长度，B_δi为所述楔形永磁体磁极5轴向分成n等分之后的气隙磁密，β为气隙波形系数。

5.根据权利要求1所述的空气静压电主轴的控制方法，其特征在于，所述主轴本体由芯轴和止推盘组成，所述芯轴采用钛合金材料制作，且所述芯轴轴承位的表面通过渗碳以及气体多元共渗的方法进行硬化处理。

6.根据权利要求1所述的空气静压电主轴的控制方法，其特征在于，所述定子的楔形定子铁心轴向长度大于所述转子的转子铁心轴向长度，且二者差值取值范围为1-3mm。

7.根据权利要求1所述的空气静压电主轴的控制方法，其特征在于，所述楔形定子铁心的内径与外径之比ζ沿着轴向方向线性变化，ζ的取值范围为0.5-0.7。

8.根据权利要求1所述的空气静压电主轴的控制方法，其特征在于，所述机壳的尾端固定安装有基座，所述机壳的前端固定安装有密封端盖。

9.根据权利要求8所述的空气静压电主轴的控制方法，其特征在于，在所述密封端盖处设置有用于监测主轴轴向位移的电容式位移传感器。