CN103107612A - 用于光线或射线切割的通孔或通槽式高速旋转切割装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于光线或射线切割的通孔或通槽式高速旋转切割装置，包括定子组件、转子组件、轴承，定子组件包括定子、设置在定子内的驱动线圈；所述转子组件包括转子、设置在转子上且轴向贯通的多个圆周均布的通孔或通槽；所述定子和转子间设置有气隙；所述轴承6设置在定子8和转子之间。本发明利用油气润滑装置及陶瓷轴承支撑带有通孔或通槽的转子旋转体高速旋转，利用通孔或通槽在指定位置处快速掠过来对贯穿介质切割，从而实现连续介质的脉冲化。

Description

用于光线或射线切割的通孔或通槽式高速旋转切割装置

技术领域

本发明涉及一种开槽式主轴旋转装置，尤其涉及一种用于光线或射线切割的异形电机。

背景技术

在脉冲光源产生、粒子束应用、声波武器、核医疗等方面，需要高速切割光线和射线，但是，受到材料、轴承工艺及控制技术的限制，现有技术无法解决辐射屏蔽、高速、能耗等方面的问题，电机在现代国民经济中占有重要地位，在诸多特殊应用领域需要研制专门的异形电机来提供特殊动力。

发明内容

针对现有高速旋转电机的发展及技术问题，本发明的目的是设计一种用于光线或射线切割的通孔或通槽式高速旋转切割装置，其在转子上开有通孔或通槽，并保证装置具有较高的安全性、良好的屏蔽性能、精准的操控性及较小的体积，来满足稳态流体介质脉冲的应用需要。

本发明的技术解决方案是：

一种用于光线或射线切割的通孔或通槽式高速旋转切割装置，包括定子组件、转子组件、轴承6，其特殊之处在于：所述定子组件包括定子8、设置在定子内的驱动线圈4；所述转子组件包括转子3、设置在转子上且轴向贯通的多个圆周均布的通孔或通槽2；所述定子8和转子3间设置有气隙；所述轴承6设置在定子8和转子3之间。

上述通孔或通槽设置在转子内部。

上述通孔或通槽设置在转子圆周表面。

上述切割装置还包括与外部水源相通的水循环系统，所述水循环系统包括至少两个循环水冷接口，所述循环水冷接口一端开口于定子表面，其另一端开口于气隙上。

上述切割装置还包括与外部油气装置相通的油气循环系统；所述支撑轴承为气浮轴承；所述油气循环系统包括至少四个油气接口，所述油气接口一端开口于定子表面，其另一端通向轴承6。

上述水循环系统流量参数要求为：0.6～1.0L/min；所述油气循环系统参数要求为：进气压力0.50~0.80MPa，出气压力0.20~0.3MPa。

上述切割装置还包括设置在定子中用于敏感转速、振动量及温升的霍尔元件、振动传感器及温度传感器。

上述通孔或通槽2为矩形槽。

上述转子材料选用40#高强度合金钢。

上述通孔或通孔或通槽2的数量为3个。

本发明优点：

1、本发明利用油气润滑装置及陶瓷轴承支撑带有通孔或通槽的转子旋转体高速旋转，利用通孔或通槽在指定位置处快速掠过来对贯穿介质切割，从而实现连续介质的脉冲化。

2、本发明在脉冲光源产生、粒子束应用、声波武器、核医疗等方面具有重要的应用价值。

3、本发明设计了一种通孔或通槽式主轴旋转装置，直接在转子外表面周向对称开设通孔或通槽，省去传动部件，将旋转装置和驱动部件融为一体，从而大大节约了传动过程中能量损耗。转子采用轴承系统支撑，运转中向接触部位注入油气混合气体，减小摩擦损耗并增加装置运行安全性。这种结构的装置比由电机驱动的旋转体转速高，且稳定性好，使用更方便灵活。

附图说明

图1为本发明的通孔或通槽式主轴高速旋转装置结构示意图，其中：1-射线源；2-通孔或通槽；3-转子；4-驱动线圈；5-水循环接口；6-轴承；7-油气循环接口；8-定子；9-探测系统。

图2为本发明装置用于稳态γ束流脉冲转化测试数据曲线图。

图3为本发明装置运行流程图。

具体实施方式

本发明原理及工作过程：

本发明的异形电机的为通孔或通槽式主轴旋转装置，其特点为开有通孔或通槽式长主轴高速旋转（转速可达60000rpm），解决了如下技术问题：

（1）开槽长度及结构设计，开槽长度与转子相同，在开槽未与射线束不在一条直线时，转子能够对射线进行4个量级的屏蔽。开槽结构采用有限元分析的方法进行理论模拟计算，根据开槽后的转子的转速、应力分布及动平衡性能要求确定开槽方式及尺寸。根据理论结构计算确定最终开槽方式为周向对称开矩形通孔或通槽,实际加工中可直接在转子外表面处开通孔或通槽以获得最快的切割线速度；

（2）轴承及支撑结构，采用理论建模分析不同类型轴承在高速旋转情况下所受转子的应力分布，以此确定所采用的轴承系统。并在转子外套线圈绕组，绕组线圈加交变电流产生磁场驱动转子旋转。转子、气浮轴承及线圈绕组由电机定子固定，定子上端开有油气接口用于将油气混合气体注入转子及轴承处进行润滑，减小结合部摩擦，进一步提高转速。定子上还预留有循环水冷接口，用于将冷却水引入装置内部进行循环，保证装置运转过程中温度维持在安全限值内；

（3）控制系统设计，为确保装置能够在设定频率下安全运转。在定子中安装霍尔元件、振动传感器及温度传感器，通过霍尔元件对转速进行实时测量并利用带信号反馈的变频控制器对转速进行精确控制，振动传感器与温度传感器的数据利用DSP数字采集卡采集，其中任一方向振动量超过安全限值或温度超过安全限值系统即给出报警信号并控制系统断电停机。

装置运行流程如图3：

本发明需要解决的具体技术问题有：1）开槽结构设计，以满足重金属材料加工的转子在高速旋转状态下各部位应力满足材料强度要求，高速旋转下的动平衡，即各向振动位移量小于安全限值；2）轴承及支撑结构设计，以满足高速旋转的转子对轴承损耗及整个装置使用寿命需要；3）控制系统设计，以满足对装置转速的精确控制及紧急制动要求。

参照图1对装置具体实施进行说明：

依据本发明加工制作了装置实例，图1中（3）为转子，材料选用40#高强度合金钢，尺寸为φ35×325mm，沿着转子外表面周向对称的开有三个通孔或通槽，通孔或通槽尺寸为3×4×325mm。转子材料、尺寸及开槽个数、尺寸可根据实际应用中对转速及屏蔽效果的要求进行适当调整。经过有限元应力分析计算，目前这种结构可承受40000rpm-60000rpm高速旋转。

转子外套有驱动线圈，如图1中(4)，用于通交变电流后产生磁场驱动转子转动。转子两端有两组型号为2-H7007C/P4HQ1A轴承用于支撑其旋转，如图1中（6），该轴承具有精度高、刚性好、温升低、转速高等特点，理论设计及装置实测证明该轴承系统能满足转子在40000rpm下安全运转。还可根据实际使用工况需要更换为陶瓷轴承，陶瓷轴承耐腐蚀、寿命长、受热胀冷缩影响小，可允许装置工作在较为恶劣的环境。

轴承系统由不锈钢制定子固定，如图1中（8），外壳上预留四路油气接口，如图1中（7），油气接口在电机运转过程中向两个轴承稳定输送0.20~0.28MPa油气混合气体，油气混合气体可减小轴承间磨损，使装置能够在极限转速安全流程运转。油气混合气体可由油气装置提供，装置实例采用西技联油气装置，进气压力0.50~0.80MPa，出气压力0.20~0.3MPa。压缩空气进入油气装置前需经过两级过滤除水除尘。转子在高速旋转情况下，摩擦产生的大量热量无法快速散出会让整个装置温度迅速升高直至变形，轴承对转子的预紧力加大，对装置运转有极大安全隐患，因此在外壳上还预留有循环水冷接口，经接口注入的冷却水绕经转子外表面后再从外壳另一端引出，如图1中（5），循环水流量需求为0.6～1.0L/min，以维持整个装置在运转过程中温度变化在安全限值范围内。

利用变频控制系统对装置运转进行控制，实现启转、停转、转速控制操作。定子上安装有霍尔元件，能够精确测量转子实时转速并将数据反馈给变频系统，由系统实时调整频率保证转子稳定在预设转速下运转。

报警急停系统对装置安全运转进行监控，转子两端径向各交叉装有两个振动传感器，轴向各装一个振动传感器，采用6通道DSP实时数据采集板对转子轴向及径向振动量进行监测。转子内还安装有温度传感器，对高速旋转过程中转子温度进行实时监控。当其中任意一路振动量超过安全限值或温升超过安全限值，报警急停系统将给出报警信号并控制变频系统断电停机，保障装置安全运行。

装置研制后采用CoCo80数字测试系统对装置的运行参数进行全面诊断，同时在万居里钴源辐射条件下进行应用测试，通过闪烁探测器对脉冲束流参数进行了测量，实现了稳态强γ束流的脉冲化，相关测试结果如下：

（1）静态指标，主轴跳动≤3um，轴向窜动≤2um；

（2）装置的转子能在转速范围100～40000rpm间连续可调，转速偏差小于1%；

（3）装置连续运转4小时，装置整体温升小于25℃；

（4）装置运转过程中，转子及开槽任意方向的振动位移量不超过40um。

（5）装置分别在100Hz及600Hz两种频率下运转，切割得到的激光脉冲强度时间谱如图2。

上述测试数据说明本发明装置可应用于将脉冲束流获取，在脉冲伽马、中子等辐射场效应研究中应用广泛。

Claims (10)

1.一种用于光线或射线切割的通孔或通槽式高速旋转切割装置，包括定子组件、转子组件、轴承（6），其特征在于：所述定子组件包括定子（8）、设置在定子内的驱动线圈（4）；所述转子组件包括转子（3）、设置在转子上且轴向贯通的多个圆周均布的通孔或通槽（2）；所述定子（8）和转子（3）间设置有气隙；所述轴承（6）设置在定子（8）和转子（3）之间。

2.根据权利要求1所述的用于光线或射线切割的通孔或通槽式高速旋转切割装置，其特征在于：所述通孔或通槽设置在转子内部。

3.根据权利要求1所述的用于光线或射线切割的通孔或通槽式高速旋转切割装置，其特征在于：所述通孔或通槽设置在转子圆周表面。

4.根据权利要求1或2或3所述的用于光线或射线切割的通孔或通槽式高速旋转切割装置，其特征在于：所述切割装置还包括与外部水源相通的水循环系统，所述水循环系统包括至少两个循环水冷接口，所述循环水冷接口一端开口于定子表面，其另一端开口于气隙上。

5.根据权利要求4所述的用于光线或射线切割的通孔或通槽式高速旋转切割装置，其特征在于：所述切割装置还包括与外部油气装置相通的油气循环系统；所述支撑轴承为气浮轴承；所述油气循环系统包括至少四个油气接口，所述油气接口一端开口于定子表面，其另一端通向轴承（6）。

6.根据权利要求5所述的用于光线或射线切割的通孔或通槽式高速旋转切割装置，其特征在于：所述水循环系统流量参数要求为：0.6～1.0L/min；所述油气循环系统参数要求为：进气压力0.50~0.80MPa，出气压力0.20~0.3MPa。

7.根据权利要求5所述的用于光线或射线切割的通孔或通槽式高速旋转切割装置，其特征在于：所述切割装置还包括设置在定子中用于敏感转速、振动量及温升的霍尔元件、振动传感器及温度传感器。

8.根据权利要求5所述的用于光线或射线切割的通孔或通槽式高速旋转切割装置，其特征在于：所述通孔或通槽（2）为矩形槽。

9.根据权利要求8所述的用于光线或射线切割的通孔或通槽式高速旋转切割装置，其特征在于：所述转子材料选用40#高强度合金钢。

10.根据权利要求9所述的用于光线或射线切割的通孔或通槽式高速旋转切割装置，其特征在于：所述通孔或通孔或通槽2的数量为3个。

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