專利名稱：五自由度交流磁軸承支承的高速電主軸系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(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 五自由度交流磁軸承支承的高速電主軸系統(tǒng)，適用于各類高速高精旋轉(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、無菌車間以及腐蝕性介質(zhì)或非常純凈介質(zhì)的傳輸?shù)?特殊場(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、無摩擦、無磨損、無 需潤滑和密封、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，可用于真空技術(shù)、純凈潔室和無菌車間等特殊場(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"J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Hanover歐洲國際機(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、日本、美國、法國、德國和中國等國家的研究人員 相繼開展了對(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)直流主動(dòng)磁軸承來支承，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I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
本發(fā)明的目的在于針對(duì)傳統(tǒng)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)行的電主軸系統(tǒng)。本發(fā)明的目的還在于，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、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)域的五自由度交流磁軸承支承的高速電主軸系統(tǒng)。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案有兩種。
本發(fā)明的第一種技術(shù)方案是
五自由度交流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主 動(dòng)磁軸承、高速主軸電機(jī)、交流二自由度主動(dòng)磁軸承、轉(zhuǎn)軸、右端蓋和左端蓋，高速主軸 電機(jī)安裝在轉(zhuǎn)軸上，所述交直流三自由度主動(dòng)磁軸承和交流二自由度主動(dòng)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主動(dòng)磁軸承之間的右端傳感器支架上，檢測(cè)轉(zhuǎn) 軸右端徑向兩個(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主動(dòng)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主動(dòng)磁軸fc;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 流二自由度主動(dòng)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。
本發(fā)明的第二種技術(shù)方案是
五自由度交流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)、兩 個(gè)交流二自由度主動(dòng)磁軸承、軸向主動(dòng)磁軸承、轉(zhuǎn)軸、右端蓋和左端蓋，高速主軸電機(jī)安 裝在轉(zhuǎn)軸上，所述兩個(gè)交流二自由度主動(dòng)磁軸承分別安裝在高速主軸電機(jī)左右兩側(cè)，所述 軸向主動(dòng)磁軸承安裝在右側(cè)交流二自由度主動(dòng)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 軸心線上，檢測(cè)轉(zhuǎn)軸的軸向位移；軸向主動(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 度主動(dòng)磁軸承左端緊挨高速主軸電機(jī)右側(cè)的限位套筒，左端的交流二自由度主動(dòng)磁軸承右 端緊挨高速主軸電機(jī)左側(cè)的限位套筒；右端傳感器支架與右端的交流二自由度主動(dòng)磁軸承之間安裝有限位套筒，左端的交流二自由度主動(dòng)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。
本發(fā)明的兩種技術(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主動(dòng)磁軸承、高速主軸電機(jī)和交流二自由度主動(dòng)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)交流二自由度主動(dòng)磁軸承、高速主 軸電機(jī)、軸向主動(dòng)磁軸承和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成。
上述的交直流三自由度主動(dòng)磁軸承，包括轉(zhuǎn)軸、三自由度磁軸承轉(zhuǎn)子、三自由度磁軸 承徑向控制線圈、三自由度磁軸承徑向定子、三自由度磁軸承軸向控制線圈和三自由度磁 軸承軸向定子；上述三自由度磁軸承轉(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；三自由度磁軸承軸向定子采用2片X3極的雙片式六極結(jié)構(gòu)且用硅鋼片疊壓而成， 左右兩側(cè)每片三自由度磁軸承軸向定子具有沿圓周均勻分布的3個(gè)軸向定子磁極；左右2 個(gè)三自由度磁軸承軸向控制線圈分別緊靠左右2片軸向定子，置于內(nèi)側(cè)，通電產(chǎn)生三自由 度磁軸承軸向控制磁通；三自由度磁軸承徑向定子具有3個(gè)沿圓周均勻分布的三自由度磁 軸承徑向定子磁極，每個(gè)三自由度磁軸承徑向定子磁極均處于軸向相對(duì)的2個(gè)三自由度磁 軸承軸向定子磁極之間，三自由度磁軸承徑向定子也采用硅鋼片疊壓而成；3個(gè)三自由度 磁軸承徑向控制線圈繞在3個(gè)三自由度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)生三自由度磁軸承徑向控制磁通。
上述的交流二自由度主動(dòng)磁軸承，包括轉(zhuǎn)軸、二自由度磁軸承轉(zhuǎn)子、二自由度磁軸承徑 向定子和二自由度磁軸承徑向控制線圈；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；二自由度磁軸承徑向定子采用硅鋼片疊壓而成，具有沿圓周均 勻分布的3個(gè)二自由度磁軸承徑向定子磁極；二自由度磁軸承徑向控制線圈繞在3個(gè)二自 由度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-軸向輔助軸承釆用調(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主動(dòng)磁軸承徑向控制線圈和交流二自由度主動(dòng)磁軸承徑向控制 線圈均采用三相功率逆變器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而交直流三自由度主動(dòng)磁軸承軸向控制線圈和軸向 主動(dòng)磁軸承控制線圈采用直流開關(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)控制線圈中的電流。
本發(fā)明的有益效果在于
1. 與傳統(tǒng)機(jī)械軸承支承的電主軸系統(tǒng)相比，本發(fā)明的五自由度交流磁軸承支承的高速 電主軸系統(tǒng)具有無需潤滑、功耗低、對(duì)環(huán)境無污染、轉(zhuǎn)速高、控制精度高、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. 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， 而本發(fā)明中的交直流三自由度主動(dòng)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，同理交流二自由度主動(dòng)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。
4. 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為本發(fā)明實(shí)施例1五自由度交流磁軸承支承的高速電主軸系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1五自由度交流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為本發(fā)明實(shí)施例2五自由度交流磁軸承支承的高速電主軸系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例2五自由度交流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為本發(fā)明實(shí)施例1中交直流三自由度主動(dòng)磁軸承的軸向截面示意圖及控制磁路示 意圖6為圖5中交直流三自由度主動(dòng)磁軸承的A-A剖面左視圖； 圖7為圖5中交直流三自由度主動(dòng)磁軸承的B-B剖面右視圖；圖8為本發(fā)明實(shí)施例1和實(shí)施例2中交流二自由度主動(dòng)磁軸承的徑向截面示意圖及控 制磁路示意圖中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為三自由度磁軸承轉(zhuǎn)子，8為三自由度磁軸承徑向控制線圈，9為三自由 度磁軸承徑向定子，91、 92、 93為三自由度磁軸承徑向定子磁極，IO為三自由度磁軸承軸 向控制線圈，11為三自由度磁軸承軸向定子，111、 112、 113為三自由度磁軸承軸向定子 磁極，121、 122、 123、 124為限位套筒，13為高速主軸電機(jī)轉(zhuǎn)子，14為高速主軸電機(jī)定 子，15為鋼筒外套，16為鋼筒內(nèi)套，17為二自由度磁軸承徑向控制線圈，18為二自由度 磁軸承徑向定子，181、 182、 183為二自由度磁軸承徑向定子磁極，19為二自由度磁軸承 轉(zhuǎn)子，20為徑向-軸向輔助軸承，21為左端蓋，22為軸向主動(dòng)磁軸承定子，23為軸向主動(dòng) 磁軸承控制線圈，24為軸向直流主動(dòng)磁軸承轉(zhuǎn)子，25為交直流三自由度主動(dòng)磁軸承，26 為高速主軸電機(jī)，27為交流二自由度主動(dòng)磁軸承，28為軸向直流主動(dòng)磁軸承；帶箭頭的實(shí) 線29為三自由度磁軸承軸向控制磁通回路，帶箭頭的虛線30為三自由度磁軸承徑向控制 磁通回路，帶箭頭的虛線31為二自由度磁軸承徑向控制磁通回路。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例做進(jìn)一步說明。
本發(fā)明首先設(shè)計(jì)出交直流三自由度主動(dòng)磁軸承、交流二自由度主動(dòng)磁軸承以及軸向主 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)，而交直流三自由度主動(dòng)磁軸承、交流二自由度主動(dòng)磁 軸承以及軸向主動(dòng)磁軸承的控制線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 由度主動(dòng)磁軸承和交流二自由度主動(dòng)磁軸承的徑向控制線圈均采用三相功率逆變器進(jìn)行驅(qū) 動(dòng)，而交直流三自由度主動(dòng)磁軸承和軸向主動(dòng)磁軸承的軸向控制線圈采用直流開關(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)電路以及軸向開關(guān)功率放大電路以及五自由度交流磁軸承支承的 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)。實(shí)施例1
如圖1和圖2所示，五自由度交流磁軸承支承的高速電主軸系統(tǒng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由壓裝 在鋼筒內(nèi)套16中的交直流三自由度主動(dòng)磁軸承25、高速主軸電機(jī)26、交流二自由度主動(dòng) 磁軸承27以及轉(zhuǎn)軸3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與交直流三自由度主動(dòng)磁軸承25 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)23 左右兩側(cè)分別安裝有限位套筒122和限位套筒121，限位套筒122左端緊靠交流二自由度 主動(dòng)磁軸承27，限位套筒121右端緊靠交直流三自由度主動(dòng)磁軸承25;左端傳感器支架 52緊靠左端蓋21，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；在交流二自由度主動(dòng)磁軸承27與左 端傳感器支架52之間安裝有限位套筒123進(jìn)行限位；徑向-軸向輔助軸承20安裝在左端蓋 21中。
如圖5、圖6和圖7所示，交直流三自由度主動(dòng)磁軸承25，包括轉(zhuǎn)軸3、三自由度磁 軸承轉(zhuǎn)子7、三自由度磁軸承徑向控制線圈8、三自由度磁軸承徑向定子9、三自由度磁軸 承軸向控制線圈IO和三自由度磁軸承軸向定子11。三自由度磁軸承轉(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；三自由度磁軸承軸向定子11采用2片X3極的 雙片式六極結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)每片三自由度磁軸承軸向定子11具有沿圓周均勻分布的3個(gè)三 自由度磁軸承軸向定子磁極111、 112和113， 3個(gè)三自由度磁軸承軸向定子磁極111、 112 和113與三自由度磁軸承轉(zhuǎn)子7之間形成軸向氣隙；左右2個(gè)三自由度磁軸承軸向控制線 圈10分別緊靠左右2片軸向定子11，置于內(nèi)側(cè)，采用直流開關(guān)功率放大器提供控制電流， 通電產(chǎn)生三自由度磁軸承軸向控制磁通29;三自由度磁軸承徑向定子9具有3個(gè)沿圓周均 勻分布的三自由度磁軸承徑向定子磁極91、 92和93，每個(gè)三自由度磁軸承徑向定子磁極 91、 92和93均處于軸向相對(duì)的2個(gè)三自由度磁軸承軸向定子磁極111、 112和113之間，3 個(gè)三自由度磁軸承徑向定子磁極91、 92和93與三自由度磁軸承轉(zhuǎn)子7之間形成徑向氣隙； 3個(gè)三自由度磁軸承徑向控制線圈8繞在3個(gè)三自由度磁軸承徑向定子磁極91、 92和93 上，采用三相交流功率逆變器驅(qū)動(dòng)控制，以產(chǎn)生三自由度磁軸承徑向控制磁通30。
如圖8所示，交流二自由度主動(dòng)磁軸承27，包括轉(zhuǎn)軸3、 二自由度磁軸承轉(zhuǎn)子19、 二 自由度磁軸承徑向定子18和二自由度磁軸承徑向控制線圈17。 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；二自由度磁軸承徑向定子18具有沿圓周均勻分布的3個(gè)二自由度磁軸承徑向定子磁極181、 182和183， 3個(gè)二自由度磁軸 承徑向定子磁極181、 182和183與二自由度磁軸承轉(zhuǎn)子19形成徑向氣隙；二自由度磁軸 承徑向控制線圈17繞在3個(gè)二自由度磁軸承徑向定子磁極181、 182和183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31。
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，由此確定三自由度磁軸承轉(zhuǎn)子7、 二自由度磁軸承轉(zhuǎn)子 19和軸向直流主動(dòng)磁軸承轉(zhuǎn)子24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；三自由度磁軸承徑向定子9、三自由度磁軸承軸向定子11、 二自由度磁軸承徑向定子 18和軸向直流主動(dòng)磁軸承定子22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，確定徑向輔助辨承4采用單滾珠軸承，徑向-軸向輔 助軸承20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)三自由度磁軸承徑向控制線圈8、 二自由度磁軸承徑向 控制線圈17、三自由度磁軸承軸向控制線圈10以及軸向主動(dòng)磁軸承控制線圈23中的電流， 以TI公司TMS320F2812 DSP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16中的高速主軸電機(jī)26、 2個(gè)交流二自由度主動(dòng)磁軸承27、軸向主動(dòng)磁 軸承28以及轉(zhuǎn)軸3構(gòu)成。圖3中，徑向輔助軸承4和徑向-軸向輔助軸承20分別安裝在右 端蓋1和左端蓋21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的軸心線上， 檢測(cè)轉(zhuǎn)軸3的軸向位移；軸向直流主動(dòng)磁軸承28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主動(dòng)磁軸承27左右兩側(cè)分別 有限位套筒121和限位套筒124，限位套筒124右端緊靠右端傳感器支架51，限位套筒121 左端緊靠高速主軸電機(jī)26;左端的交流二自由度主動(dòng)磁軸承27左右兩側(cè)分別有限位套筒 123和限位套筒122，限位套筒122右端緊靠高速主軸電機(jī)26，限位套筒123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21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l機(jī)械結(jié)構(gòu)中的交直流三自由度主 動(dòng)磁軸承替換為兩個(gè)交流二自由度主動(dòng)磁軸承和軸向主動(dòng)磁軸承即可得到本實(shí)施例的機(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)施方式可參見實(shí)施例l。
權(quán)利要求
1、五自由度交流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主動(dòng)磁軸承(25)、高速主軸電機(jī)(26)、交流二自由度主動(dòng)磁軸承(27)、轉(zhuǎn)軸(3)、右端蓋(1)和左端蓋(21)，其特征在于，高速主軸電機(jī)(26)安裝在轉(zhuǎn)軸(3)上，所述的交直流三自由度主動(dòng)磁軸承(25)和交流二自由度主動(dòng)磁軸承(27)分別安裝在高速主軸電機(jī)(26)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)與交直流三自由度主動(dòng)磁軸承(25)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)(26)左右兩側(cè)分別安裝有限位套筒(122)和限位套筒(121)，限位套筒(122)左端緊靠交流二自由度主動(dòng)磁軸承(27)，限位套筒(121)右端緊靠交直流三自由度主動(dòng)磁軸承(25)；左端傳感器支架(52)緊靠左端蓋(21)，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；在交流二自由度主動(dòng)磁軸承(27)與左端傳感器支架(52)之間安裝有限位套筒(123)進(jìn)行限位；徑向-軸向輔助軸承(20)安裝在左端蓋(21)中。
2、 五自由度交流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)(26)、 兩個(gè)交流二自由度主動(dòng)磁軸承(27)、軸向主動(dòng)磁軸承(28)、轉(zhuǎn)軸(3)、右端蓋(1)和左 端蓋(21)，其特征在于，高速主軸電機(jī)(26)安裝在轉(zhuǎn)軸(3)上，所述兩個(gè)交流二自由 度主動(dòng)磁軸承(27)分別安裝在高速主軸電機(jī)(26)左右兩側(cè)，所述軸向主動(dòng)磁軸承(28) 安裝在右側(cè)的交流二自由度主動(dòng)磁軸承(27)的右側(cè)；徑向輔助軸承(4)和徑向-軸向輔 助軸承(20)分別安裝在右端蓋(1)和左端蓋(21)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)的軸心線上，檢測(cè)轉(zhuǎn)軸(3)的軸向位移；軸向主動(dòng)磁軸 承(28)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主動(dòng)磁軸承(27)左右兩側(cè)分別有限位套筒(121) 和限位套筒(124)，限位套筒(124)右端緊靠右端傳感器支架(51)，限位套筒(121)左 端緊靠高速主軸電機(jī)(26);左端的交流二自由度主動(dòng)磁軸承(27)左右兩側(cè)分別有限位套 筒(123)和限位套筒(122)，限位套筒(122)右端緊靠高速主軸電機(jī)(26)，限位套筒(123) 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(21)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主動(dòng)磁軸 承(25)包括三自由度磁軸承轉(zhuǎn)子(7)、三自由度磁軸承徑向控制線圈(8)、三自由度磁 軸承徑向定子(9)、三自由度磁軸承軸向控制線圈(10)和三自由度磁軸承軸向定子(11); 所述三自由度磁軸承轉(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；所述三自由度磁軸承軸向定子(11)采用2片X3極的雙片式六極結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)每片三 自由度磁軸承軸向定子(11 )具有沿圓周均勻分布的3個(gè)三自由度磁軸承軸向定子磁極(111 、 112、 113)， 3個(gè)三自由度磁軸承軸向定子磁極(111、 112、 113)與三自由度磁軸承轉(zhuǎn)子(7) 之間形成軸向氣隙；左右2個(gè)三自由度磁軸承軸向控制線圈(10)分別緊靠左右2片軸向 定子(11)，置于內(nèi)側(cè)，通電產(chǎn)生三自由度磁軸承軸向控制磁通(25);三自由度磁軸承徑 向定子(9)具有3個(gè)沿圓周均勻分布的三自由度磁軸承徑向定子磁極(91、 92、 93)，每 個(gè)三自由度磁軸承徑向定子磁極(91、 92、 93)均處于軸向相對(duì)的2個(gè)三自由度磁軸承軸 向定子磁極(111、 112、 113)之間，3個(gè)三自由度磁軸承徑向定子磁極(91、 92、 93)與 三自由度磁軸承轉(zhuǎn)子(7)之間形成徑向氣隙；3個(gè)三自由度磁軸承徑向控制線圈(8)繞 在3個(gè)三自由度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)生三自由度磁軸承徑向控制磁通(26)。
4、 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，所述交流二自由 度主動(dòng)磁軸承(27)，包括二自由度磁軸承轉(zhuǎn)子(19)、 二自由度磁軸承徑向定子(18)和 二自由度磁軸承徑向控制線圈(17);所述二自由度磁軸承轉(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；所述二自由度磁軸承徑向定子(18)具有沿圓周均 勻分布的3個(gè)二自由度磁軸承徑向定子磁極(181、 182、 183)， 3個(gè)二自由度磁軸承徑向 定子磁極(181、 182、 183)與二自由度磁軸承轉(zhuǎn)子(19)形成徑向氣隙；所述二自由度磁 軸承徑向控制線圈(17)繞在3個(gè)二自由度磁軸承徑向定子磁極(181、 182、 183)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(31)。
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(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。
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(20)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主動(dòng)磁軸 承徑向控制線圈(8)和交流二自由度主動(dòng)磁軸承徑向控制線圈(17)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主動(dòng)磁軸承軸向控制線圈(IO)采用直流開關(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，所述交流二自由度主動(dòng)磁軸承 徑向控制線圈(17)采用三相功率逆變器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，所述軸向主動(dòng)磁軸承控制線圈(23) 采用直流開關(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)控制線圈中的電 流。
全文摘要
五自由度交流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主動(dòng)磁軸承、高速主軸電機(jī)、交流二自由度主動(dòng)磁軸承、轉(zhuǎn)軸、右端蓋和左端蓋，高速主軸電機(jī)安裝在轉(zhuǎn)軸上，所述交直流三自由度主動(dòng)磁軸承和交流二自由度主動(dòng)磁軸承分別安裝在高速主軸電機(jī)的左右兩側(cè)。交直流三自由度主動(dòng)磁軸承和交流二自由度主動(dòng)磁軸承中的徑向兩個(gè)自由度均采用三極結(jié)構(gòu)、三相逆變器驅(qū)動(dòng)控制，顯著降低了功率放大電路的損耗和成本。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)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中間傳動(dòng)，特別是實(shí)現(xiàn)電機(jī)與旋轉(zhuǎn)主軸之間無接觸懸浮運(yùn)行，具有無機(jī)械摩擦磨損、無噪音、低功耗、高速度和高精度等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02K7/09GK101414772SQ20081023427
公開日2009年4月22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, 諸德宏, 鄔清海 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)