CN102001014A

CN102001014A - 长定子混合励磁直线同步电动机磁悬浮进给平台

Info

Publication number: CN102001014A
Application number: CN2010105502858A
Authority: CN
Inventors: 蓝益鹏; 张凤阁; 张武; 张振兴; 杨波
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2030-11-19
Also published as: CN102001014B

Abstract

本发明提供一种长定子混合励磁直线同步电动机磁悬浮进给平台，包括进给平台和长定子混合励磁直线同步电动机及其控制系统。所述混合励磁直线同步电动机主要包括定子铁心、永磁体、励磁绕组、动子铁心和推力绕组。其特征在于：所述进给平台安装在动子铁心上；在所述动子铁心内设置有推力绕组；在所述定子铁心上设置有永磁体和励磁绕组；在所述进给平台上设置有电涡流传感器；在所述基座上设置有长光栅传感器；所述励磁绕组和电涡流传感器连接至磁悬浮控制系统；所述推力绕组和长光栅传感器连接至进给控制系统。该发明采用混合励磁的直线同步电动机的法向磁拉力使进给平台悬浮以消除摩擦，对进一步提高数控机床进给平台的加工精度具有重要意义。

Description

长定子混合励磁直线同步电动机磁悬浮进给平台

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮进给平台，特别是涉及一种用于数控机床的无摩擦、直接进给的长定子混合励磁直线同步电动机磁悬浮进给平台，属于数控技术领域。

背景技术

数控机床进给平台在加工过程中的摩擦阻力，特别是在低速时的非线性摩擦不可避免地影响进给系统的精度，导致进给系统产生爬行以及造成反向死区。摩擦是引起数控机床热变形的原因之一，是影响加工精度的重要因素。摩擦也是引起磨损、产生噪音的因素，需要良好的润滑来提高机床寿命。因此，减小或消除摩擦已成为制约数控机床进给平台性能的技术瓶颈。

现有的数控机床磁悬浮进给平台利用永磁直线电动机作为驱动元件，由于气隙磁场难以调节，因此需要附加多点支撑的电磁铁进行悬浮，装置复杂，特别是缺乏进给平台直接自动悬浮的能力，在机床本体设计时不得不考虑悬浮问题，限制了磁悬浮进给平台的使用和推广，影响磁悬浮进给平台运行的稳定性和可靠性。

发明内容

发明目的：本发明提供一种长定子混合励磁直线同步电动机磁悬浮进给平台，其目的是解决以往的数控机床磁悬浮进给平台结构复杂、稳定性和可靠性差，特别是无法很好的解决摩擦阻力的技术问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的：

长定子混合励磁直线同步电动机磁悬浮进给平台，其特征在于：所述磁悬浮进给平台包括进给平台和长定子混合励磁直线同步电动机及其控制系统，长定子混合励磁直线同步电动机包括定子铁心和使用时与定子铁心做相对移动的动子铁心；进给平台安装在动子铁心上；在动子铁心内设置有能推动动子铁心相对于定子铁心移动的推力绕组；在定子铁心内设置有能使动子铁心在定子铁心下悬浮的永磁体和励磁绕组；在进给平台上设置有电涡流传感器；基座穿过进给平台和动子铁心；在基座上设置有长光栅传感器；励磁绕组和电涡流传感器连接至磁悬浮控制系统；推力绕组和长光栅传感器连接至进给控制系统。

磁悬浮控制系统包括直流PWM变换器、比例调节器P和电流PI调节器；电涡流传感器连接至比例调节器P，比例调节器P连接至电流PI调节器，电流PI调节器连接至直流PWM变换器，直流PWM变换器连接至励磁绕组；进给控制系统包括SPWM变换器、位置比例调节器P、速度PI调节器、电流PI调节器和可以产生推力的逆变器；长光栅传感器连接至位置比例调节器P，位置比例调节器P连接至速度PI调节器，速度PI调节器连接至电流PI调节器，电流PI调节器连接至SPWM变换器，SPWM变换器连接至可以产生推力的逆变器，可以产生推力电流的逆变器与推力绕组连接。

所述定子铁心设置在基座的下面，在基座上部还设置有辅助导轨。

长定子混合励磁直线同步电动机的磁极既是励磁磁极，同时也是悬浮磁极。

长定子混合励磁直线同步电动机的永磁体和励磁绕组固定安装在基座下方的定子铁心中，推力绕组安装在动子铁心中随进给平台一起运动。

进给平台的水平方向运动和垂直方向的磁悬浮运动，都是由基座下面安装的同一台长定子混合励直线同步电动机驱动的。

磁悬浮力主要由永磁体产生，调节励磁绕组的电流能够改变磁悬浮力，励磁电流的大小由悬浮高度来决定。

优点及效果：本发明提供一种述长定子混合励磁直线同步电动机磁悬浮进给平台，包括进给平台和长定子混合励磁直线同步电动机,所述长定子混合励磁直线同步电动机主要包括定子铁心和可以与定子铁心做相对运动的动子铁心，其特征在于：所述进给平台与动子铁心固定连接；在所述定子铁心内设置有励磁绕组和永磁体，在所述动子铁心内设置有推力绕组；在所述进给平台上设置有电涡流传感器；在所述定子铁心上设置有长光栅传感器；所述励磁绕组和电涡流传感器连接至磁悬浮控制系统；所述推力绕组和长光栅传感器连接至进给控制系统。

为了解决以往的数控机床进给平台存在的问题，本发明将进给平台的进给和磁悬浮由同一台长定子混合励磁直线同步电动机同时来实现，也就是说将长定子混合励磁直线同步电动机与进给平台结合起来，将进给平台直接安装在长定子混合励磁直线同步电动机的动子上，进给平台的进给运动是由长定子混合励磁直线同步电动机的切向电磁推力来实现的，通过调节推力绕组的电流来改变电磁推力；磁悬浮力是定子上的永磁体和励磁电流产生的磁场和电动机的动子铁心之间产生的单边磁拉力，通过调节励磁电流来调节磁悬浮力。长定子混合励磁直线同步电动机的磁极既是励磁磁极，同时也是悬浮磁极。这不同于以往的电磁铁磁悬浮系统，该发明是靠电动机自身产生的磁悬浮力来运行，进给平台具有直接自动悬浮的能力，能够克服以往进给平台电磁铁多点支撑悬浮、装置复杂使得其影响运行稳定性和可靠性的技术问题。

另外，该发明还包括以下技术特征：长定子混合励磁直线同步电动机的推力绕组电流为整个装置提供电磁推力，并采用

的矢量控制方式。

励磁电流的大小由磁悬浮控制系统来完成，系统的主电路为直流PWM变换器，采用悬浮高度与励磁电流双闭环控制。悬浮高度控制器为比例调节器，以防止悬浮高度超调，而励磁电流采用PI调节器。

平台的进给过程是由进给控制系统来完成的，这是一个位置、速度和电流组成的三环控制系统。位置环为比例调节器P，速度和电流采用PI调节器。

由于磁力线总是沿磁阻最小的路径闭合，进给平台与直线同步电动机的动子直接相连，在磁拉力作用下，平台与动子不会向侧面偏斜，相当于现有技术中的导向电磁铁。磁拉力的作用远远大于电磁推力，因此，相当于在电动机的运动方向上两侧有多个导向电磁铁。

本发明具体优点如下：

1、进给平台的进给和磁悬浮是由同一台长定子混合励磁直线同步电动机同时来完成的，无需电磁铁多点支撑悬浮，平台结构简单、可靠性高。

2、进给平台直接与长定子混合励磁直线同步电动机的动子固定相连，进给平台的辅助导轨同时也是直线同步电动机的辅助导轨。

3、与以往由纯永磁直线同步电动机组成的进给平台比较，克服了气隙磁场难以调节的缺点。

4、与以往电励磁直线同步电动机组成的进给平台比较，既有电励磁直线同步电动机能够调节气隙磁场的优点，同时具有永磁直线同步电动机高效节能的特点。

5、该发明的进给平台为无摩擦直接进给，与导轨之间不存在摩擦阻力，提高了进给系统的精度和响应速度，消除了爬行以及反向死区、热变形、磨损、噪音以及免润滑，提高了机床寿命。

该发明采用长定子混合励磁直线同步电动机的法向磁拉力使进给平台悬浮以消除摩擦，使数控机床进给平台在直接驱动的同时能够从根本上消除摩擦实现无摩擦进给，而不用象以往那样单独另设电动机和电磁铁；彻底将整个装置简化，并且大大提高了工作效率，对进一步提高数控机床进给平台的加工精度具有重要意义。

附图说明：

图1为本发明的长定子混合励磁直线同步电动机磁悬浮进给平台结构示意图；

图2为本发明的长定子混合励磁直线同步电动机的结构示意图；

图3为平台磁悬浮控制系统和进给控制系统原理框图；

图中标号说明如下：

1．推力绕组、2．动子铁心、3．励磁绕组、4．永磁体、5．定子铁心、6．辅助导轨、7．长光栅传感器、8．电涡流传感器、9．进给平台、10．基座、11．磁悬浮控制系统、12．进给控制系统。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1、2所示，一种长定子混合励磁直线同步电动机磁悬浮进给平台，包括进给平台9和长定子混合励磁直线同步电动机及其控制系统。所述长定子混合励磁直线同步电动机主要包括定子铁心5和使用时与定子铁心5做相对移动的动子铁心2，所述进给平台9安装在动子铁心2上，基座10穿过进给平台9和动子铁心2；在所述动子铁心2内设置有能推动动子铁心2相对于定子铁心5移动的推力绕组1；在所述定子铁心5内设置有能使动子铁心2在定子铁心5下悬浮的永磁体4和励磁绕组3；在所述动子铁心2内设置有推力绕组1，推力绕组1可以使得动子铁心2相对于定子铁心5做相对移动。励磁绕组3和推力绕组1的布线方向与动子铁心2的运动方向垂直。在所述进给平台9上设置有电涡流传感器8；在所述基座10上设置有长光栅传感器7；所述励磁绕组3和电涡流传感器8连接至磁悬浮控制系统11；所述推力绕组1和长光栅传感器7连接至进给控制系统12。

如图3所示，所述磁悬浮控制系统11包括PWM变换器、比例调节器和电流PI调节器；所述电涡流传感器8连接至比例调节器P，比例调节器连接至电流PI调节器，电流PI调节器连接至PWM变换器，PWM变换器连接至励磁绕组3；励磁绕组3与直流PWM变换器相连，在气隙中产生磁场，其大小由悬浮高度来决定。将给定悬浮高度与电涡流传感器8检测到的反馈高度相比较形成误差信号，该误差信号通过比例调节器运算得到励磁电流的给定量，经过电流PI调节器产生直流PWM变换器的控制信号，通过改变占空比来调节励磁电流的大小，对气隙磁场进行调节，从而改变磁拉力的大小，形成一个悬浮高度的自动调节系统，当进给平台9、动子铁心2以及进给平台9所负载的总重量与磁拉力的大小相等时进给平台9处于悬浮状态，这一过程是由磁悬浮控制系统11来完成的，以保证在负载扰动时悬浮高度不变。

所述进给控制系统12包括SPWM变换器、位置比例调节器P、速度PI调节器、电流PI调节器和可以产生推力的逆变器；所述SPWM变换器就是正弦波脉冲宽度调制变换器；所述长光栅传感器7连接至位置比例调节器，位置比例调节器P连接至速度PI调节器，速度PI调节器连接至电流PI调节器，电流PI调节器连接至SPWM变换器，SPWM变换器连接至可以产生推力的逆变器，可以产生推力的逆变器与推力绕组1连接。

当在动子铁心2的推力绕组1中通入三相对称正弦电流后，在气隙中产生行波磁场，该行波磁场与在定子铁心5上的永磁体4和励磁绕组3共同产生的励磁磁场相互作用下产生电磁推力。

进给平台9的进给过程是由进给控制系统12来完成的，这是一个位置、速度和电流组成的三环控制系统。将进给量与长光栅传感器7检测到的反馈量相比较形成位置误差信号，该误差信号通过位置比例调节器运算得到进给速度的给定量，它与由长光栅传感器7检测到的位置信号中分离出的速度反馈信号比较形成进给速度误差信号，该误差信号通过速度PI调节器运算后形成电流的给定量，再与电流的的反馈量相比较形成电流误差信号，该误差信号通过电流PI调节器运算得到逆变器的控制信号，通过对推力绕组电流采用

的矢量控制方式，来完成的系统的调节作用。因此，进给控制系统12本质上也是一个位置伺服系统。

所述定子铁心5设置在基座10下部，在基座10上部还设置有辅助导轨6。当磁悬浮进给平台9不工作时，停在基座10上的辅助导轨6上，所述动子铁心2工作时就是沿着辅助导轨6悬浮移动。

该发明的平台进给和磁悬浮由同一台长定子混合励磁直线同步电动机同时来实现，进给平台直接安装在长定子混合励磁直线同步电动机的动子上，平台的进给运动是由长定子混合励磁直线同步电动机的切向电磁推力来实现的，通过调节推力绕组的电流来改变电磁推力；磁悬浮力是定子上的永磁体和励磁绕组共同产生的磁场和电动机的动子铁心之间形成的单边磁拉力，通过调节励磁电流来调节磁悬浮力,这样，进给平台就依靠电动机自身产生的磁悬浮力来运行，具有直接自动悬浮的能力。磁悬浮进给平台直线同步电动机的磁极既是励磁磁极，同时也是悬浮磁极。

该发明采用长定子混合励磁直线同步电动机的法向磁拉力使进给平台悬浮以消除摩擦，使进给平台在直接驱动的同时能够从根本上消除摩擦实现无摩擦进给，并且不用单独另设悬浮电磁铁，对进一步提高数控机床进给平台的加工精度具有重要意义，并且结构简洁合理，比较利于在数控领域推广应用。

Claims

1.长定子混合励磁直线同步电动机磁悬浮进给平台，其特征在于：所述磁悬浮进给平台包括进给平台（9）和长定子混合励磁直线同步电动机及其控制系统，长定子混合励磁直线同步电动机包括定子铁心（5）和使用时与定子铁心（5）做相对移动的动子铁心（2）；进给平台（9）安装在动子铁心（2）上；在动子铁心（2）内设置有能推动动子铁心（2）相对于定子铁心（5）移动的推力绕组（1）；在定子铁心（5）内设置有能使动子铁心（2）在定子铁心（5）下悬浮的永磁体（4）和励磁绕组（3）；在进给平台（9）上设置有电涡流传感器（8）；基座（10）穿过进给平台（9）和动子铁心（2）；在基座（10）上设置有长光栅传感器（7）；励磁绕组（3）和电涡流传感器（8）连接至磁悬浮控制系统（11）；推力绕组（1）和长光栅传感器（7）连接至进给控制系统（12）。

2.根据权利要求1所述的长定子混合励磁直线同步电动机磁悬浮进给平台，其特征在于：磁悬浮控制系统（11）包括直流PWM变换器、比例调节器P和电流PI调节器；电涡流传感器（8）连接至比例调节器P，比例调节器P连接至电流PI调节器，电流PI调节器连接至直流PWM变换器，直流PWM变换器连接至励磁绕组（3）；进给控制系统（12）包括SPWM变换器、位置比例调节器P、速度PI调节器、电流PI调节器和可以产生推力的逆变器；长光栅传感器（7）连接至位置比例调节器P，位置比例调节器P连接至速度PI调节器，速度PI调节器连接至电流PI调节器，电流PI调节器连接至SPWM变换器，SPWM变换器连接至可以产生推力的逆变器，可以产生推力电流的逆变器与推力绕组（1）连接。

3.根据权利要求1所述的长定子混合励磁直线同步电动机磁悬浮进给平台，其特征在于：所述定子铁心（5）设置在基座（10）的下面，在基座（10）上部还设置有辅助导轨（6）。

4.根据权利要求1所述的长定子混合励磁直线同步电动机磁悬浮进给平台，其特征在于：长定子混合励磁直线同步电动机的磁极既是励磁磁极，同时也是悬浮磁极。

5.根据权利要求1所述的长定子混合励磁直线同步电动机磁悬浮进给平台，其特征在于：长定子混合励磁直线同步电动机的永磁体（4）和励磁绕组（3）固定安装在基座（10）下方的定子铁心（5）中，推力绕组（1）安装在动子铁心（2）中随进给平台（9）一起运动。

6.根据权利要求1所述的长定子混合励磁直线同步电动机磁悬浮进给平台，其特征在于：进给平台（9）的水平方向运动和垂直方向的磁悬浮运动，都是由基座（10）下面安装的同一台长定子混合励直线同步电动机驱动的。

7.根据权利要求1所述的长定子混合励磁直线同步电动机磁悬浮进给平台，其特征在于：磁悬浮力主要由永磁体（4）产生，调节励磁绕组（3）的电流能够改变磁悬浮力，励磁电流的大小由悬浮高度来决定。