CN101304195B - 多种类型轴承混合支承的超精密电主轴 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多种类型轴承混合支承的超精密电主轴，它由支承系统、内装电机、壳体和转轴等部件组成。其中电主轴的支承系统由与内装电机集成的径向空气轴承、主动磁轴承和作为转轴轴向支承的双向气体止推轴承共同组成。本多种类型轴承混合支承的超精密电主轴采用回转精度高、高转速时温升极小的径向空气轴承作为主承载元件，而将便于控制的主动磁轴承作为辅助支承，修正径向空气轴承误差和外界干扰影响，双向气体止推轴承承受轴向工作载荷，从而实现主轴超高的回转精度的功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种机电工程领域中的电主轴，特别是一种多种类型轴承混合支承的超精密电主轴。
背景技术
电主轴是将电机内装，实现动力转换和输出的功能部件，目前由于电主轴一般采用同一类型的轴承，其中电主轴的结构主要有：滚动轴承支承的电主轴、流体润滑轴承支承的电主轴、磁悬浮轴承支承的电主轴、气体轴承支承的电主轴和其它轴承支承的电主轴，这些类型轴承支承的电主轴可以实现简单高速或简单重载的要求，不能满足目前电主轴超高精度的要求。
发明内容
本发明的目的是为了克服目前同一类型轴承支承电主轴应用的局限性，提供一种多种类型轴承混合支承的超精密电主轴，实现既能够承受很大的轴向载荷，达到超高回转精度的功能，同时又能够在正常工作条件要求范围内，实现高可靠性、长寿命的运行。
为了达到上述目的，本发明的构思是：在内装电机和径向空气轴承集成的电主轴中，利用径向空气轴承能满足超精密加工和主动磁轴承便于控制的性能，以径向空气轴承作为转轴的主支承，主动磁轴承作为转轴的辅助支承，实现转轴超高回转精度的优点。
根据上述的发明构思，本发明采用如下技术方案：
一种多种类型轴承混合支承的超精密电主轴，包括外壳以及安装在外壳内的定子、转子、与转子固定连接成一体的转轴和转轴支承系统，其特征在于所述转轴支承系统采用如下多种类型轴承支承结构：
(1)由双向气体止推轴承轴向支承转轴；
(2)由定子与转子之间的间隙构成径向空气轴承，径向支承转轴；上述的径向空气轴承的结构是：所述定子内壁与转子外壁之间形成环形径向气隙，高压空气经外壳内的空气通道至定子内的气孔和气穴而接通至所述环形径向气隙。
(3)由两个主动磁轴承径向辅助支承转轴。
上述的双向气体止推轴承的结构是：所述转轴后端与一个推力盘固定连接成一体，所述推力盘的两个推力面分别与后盖和固定圈的推力面之间形成盘形轴向气隙，所述盘形轴向气隙接通高压气源，所述后盖和固定圈与外壳固定连接。
上述的两个主动磁轴承安装在转轴两端部，分别位于前盖和后盖内。
上述外壳内有冷却内腔和冷却液通道接通冷却液源。
本发明与现有技术相比较，具有以下实出实质性特点和显著优点：
本发明的突出实质性特点是：利用径向空气轴承回转精度高、高转速时温升极小，造成的热变形误差亦很小的优点，以径向空气轴承作为转轴的主承载元件，限制转子系统除沿轴向和绕轴向运动之外的4个自由度；利用主动磁轴承易于控制能保持转轴工作达到很高精度的优点，以主动磁轴承作为转轴的辅助支承。针对轴向载荷的要求，采用载荷可调、具有非接触特点的双向气体止推轴承，作为电主轴的轴向支承，约束转子沿轴向移动的自由度，承受全部轴向外载荷。取径向空气轴承较高的承载能力和相当高的工作精度特性，配合以主动磁轴承便于控制和更高工作精度的性能，实现转轴超高回转精度的目的。
本发明的显著优点：
(1)电主轴超高的回转精度；
(2)电主轴在超高的回转精度下具有一定的轴向承载能力；
(3)充分发挥气体轴承和磁轴承各自的优点，克服了单一类型轴承的局限性；
(4)电主轴在简单的结构基础上能够满足超高精度、轴向承载能力和长寿命运行的功能要求。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图。
图2是图1中转轴支承系统原理图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例是：参见图1，本多种类型轴承混合支承的超精密电主轴，包含有直接固定连接电机转子6的转轴1、兼作电机定转轴径向空气轴承固定圈的定子5、兼作转轴径向空气轴承转动圈的转子6、外壳12、前盖2、后盖15、双向气体止推轴承等部件。转轴支承系统采用多种类型轴承混合支承结构，以内装电机定子和转子作为径向空气轴承的固定圈和转动圈的径向空气轴承作为主承载元件，两个主动磁轴承3、11修正径向空气轴承误差和外界干扰影响，双向气体止推轴承作为转轴轴向支承。
上述的以径向空气轴承作为转轴径向主要支承的安装设置是：在内装电机定子放置绕组的铁芯上，置有双列圆周均布的径向进气孔9和气穴7等，作为径向空气轴承的固定圈，而电机转子6同时为径向空气轴承的转动圈。
上述的以主动磁轴承作为转轴辅助支承的安装设置是：在轴轴1的两端即前盖2和固定圈14上分别安装一个主动磁轴承3和主动磁轴承11。
上述的以双向气体止推轴承作为转轴轴向支承的安装设置是：在转轴1固定连接的止推轴承的转子——推力盘13的两侧安装设置双向气体止推轴承的定子，即后盖15和固定圈14。
上述的电主轴中，图1所示电主轴的外壳12上还布置有空气通道8，用于对径向空气轴承供应压缩空气；以及冷却液通道10和冷却内腔4，用于对电主轴的内装电机进行冷却。
其转轴的支承系统原理参见图2，转轴1沿x、y轴方向移动和绕x、y轴方向转动的4个自由度有与内装电机定转子作为径向空气轴承的定转子的径向空气轴承和两个主动磁轴承3、11进行约束，沿转子轴线z方向的自由度由双向气体止推轴承加以限制。径向空气轴承作为主承载元件，其回转精度高、高转速时温升极小，造成的热变形误差亦很小；主动磁轴承3、11作为辅助支承，修正径向空气轴承误差和外界干扰影响；双向气体止推轴承承受全部的轴向工作载荷。气体轴承与磁轴承混合支承，可以实现电主轴主轴的超高回转精度。
Claims (4)
1.一种多种类型轴承混合支承的超精密电主轴，包括外壳(12)以及安装在外壳(12)内的定子(5)、转子(6)、与转子(6)固定连接成一体的转轴(1)和转轴支承系统，其特征在于所述转轴支承系统为如下多种类型支承结构：
a.由双向气体止推轴承轴向支承转轴(1)；
b.采用定子(5)与转子(6)之间构成径向空气轴承作为转轴的径向主要支承轴承；所述的径向空气轴承的结构是：所述定子(5)内壁与转子(6)外壁之间形成环形径向气隙，高压空气经外壳(12)内的空气通道(8)至定子(5)内的气孔(9)和气穴(7)而接通至所述环形径向气隙；
c.由两个主动磁轴承(3、11)径向辅助支承转轴(1)。
2.根据权利要求1所述的多类型轴承混合支承的超精密电主轴，其特征在于所述的双向气体止推轴承的结构是：所述转轴(1)后端与一个推力盘(13)固定连接成一体，所述推力盘(13)的两个推力面分别与后盖(15)和固定圈(14)的推力面之间形成盘形轴向气隙，所述盘形轴向气隙接通高压气源，所述后盖(15)和固定圈(14)与外壳(12)固定连接。
3.根据权利要求1所述的多类型轴承混合支承的超精密电主轴，其特征在于所述的两个主动磁轴承(3、11)安装在转轴(1)两端部，分别位于前盖(2)和后盖(15)内。
4.根据权利要求1所述的多类型轴承混合支承的超精密电主轴，其特征在于所述外壳(12)内有冷却内腔(4)和冷却液通道(10)接通冷却液源。
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