CN104942635A - 双驱动串联电机式电主轴 - Google Patents

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李安玲
张国烨
李占军
王霞
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Abstract

本发明提供一种大扭矩，发热量小，节省能源的双驱动串联电机式电主轴,包括电主轴壳体，壳体内前部分安装有第一主轴前轴承座和第一主轴后轴承座，第一主轴前轴承座和第一主轴后轴承座之间经轴承穿设有第一主轴，第一主轴上装有第一电机转子，第一转子外侧设有第一电机定子，其特征在于，所述第一主轴后端的壳体内装有第二主轴前轴承座和第二主轴后轴承座，第一主轴前轴承座和第二主轴后轴承座之间经轴承装有第二主轴，第二主轴上套装有第二电机转子，电机转子外侧设有第二电机定子，第一主轴后端上套装有波纹管联轴器，第二主轴前端固定有电磁离合器，电磁离合器和波纹管联轴器相连接。

Description

双驱动串联电机式电主轴
技术领域
本发明涉及一种串联式电机电主轴，尤其是大小扭矩自动变换的带有波纹管联轴器与电磁离合器的双驱动串联电机式电主轴。
背景技术
随着社会生产的需要，机床加工的零件变得越来越复杂，加工难度越来越高，其复杂的加工面导致加工的刀具所受到的力时大时小。现有的电主轴普遍是高转速低扭矩，所以加工的零件很有局限性，而大扭矩的电主轴则要么直径太大，要么造价太高，而且发热量很大；又有机械式电主轴-CN202910309U，虽然可以实现大扭矩，但转速很低，而且其主轴后端还需要通过减速装置外接一个动力源。
因而需要开发一种新型的电主轴，通过设计一种新颖的结构来解决低扭矩的问题。同时，使电主轴只在加工需要的时候提供大扭矩，从而避免了大扭矩电主轴浪费扭矩且发热量大的问题，并节省能源。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种大扭矩，发热量小，节省能源的双驱动串联电机式电主轴。
本发明的技术方案是，包括电主轴壳体，壳体内前部分安装有第一主轴前轴承座和第一主轴后轴承座，第一主轴前轴承座和第一主轴后轴承座之间经轴承穿设有第一主轴，第一主轴上装有第一电机转子，第一转子外侧设有第一电机定子，其特征在于，所述第一主轴后端的壳体内装有第二主轴前轴承座和第二主轴后轴承座，第一主轴前轴承座和第二主轴后轴承座之间经轴承装有第二主轴，第二主轴上套装有第二电机转子，电机转子外侧设有第二电机定子，第一主轴后端上套装有波纹管联轴器，第二主轴前端固定有电磁离合器，电磁离合器和波纹管联轴器相连接。
2、根据权利要求1所述的双驱动串联电机式电主轴，其特征在于，所述壳体内装有滚珠保持架，第一主轴后轴承座装在滚珠保持架内，所述第一主轴与波纹管联轴器之间经滑键连接。
3、根据权利要求1所述的双驱动串联电机式电主轴，其特征在于，所述电磁离合器包括固定在波纹联轴器后端的法兰，法兰经内部的深沟球轴承装在第二主轴上，法兰后端经弹簧圈固定有间隔套在第二主轴上的衔铁，衔铁后方间隙设有间隔套在第二主轴上的铁轭，盘形铁轭的外圆面固定在壳体上，盘形铁轭上布置有线圈。
4、根据权利要求3所述的双驱动串联电机式电主轴，其特征在于，所述弹簧圈由内外两圈固定孔，内圈固定孔经铆钉装在法兰上，外圈固定孔径铆钉装在衔铁上。
5、根据权利要求3所述的双驱动串联电机式电主轴，其特征在于，所述盘形铁轭由圆形刚硅片硅钢片叠加构成，铁轭上加工有绕线齿，每个绕线齿上饶一组线圈，线圈之间并联接在电源上，铁轭背面加工有两条以铁轭中心为圆心的圆形槽，两个圆形槽内分别设有一个连通线圈的第一导线孔，圆形槽内装有绝缘套，绝缘套内装有铜环，两个绝缘套上各有一个与第一导向孔对齐的第二导线孔，用于线圈与铜环的连接。
6、根据权利要求5所述的双驱动串联电机式电主轴，其特征在于，所述第二主轴前轴承座内装有两个给线圈通电的电极。
7、根据权利要求1所述的双驱动串联电机式电主轴，其特征在于，所述第一主轴上通过螺纹旋合有前螺母，前螺母后端装有前密封环，第一主轴前部的轴承置于前密封环后端，第一主轴前轴承座前端装有前小盖，前小盖前端装有防尘盖，构成电主轴功率输出端的迷宫密封；所述壳体后端装有后盖，后盖后端中间部分装有置于后盖内且套在第二主轴上的密封环，构成电主轴后端的迷宫密封。
8、根据权利要求5所述的双档串联式电机电主轴，其特征在于，所述衔铁与铁轭之间的间隙为0.4正负0.02毫米。
本发明的优点如下：
   1、本发明中，第一电机与第二电机通过离合器进行连接，第一电机工作时不干扰第二电机，而且第二电机可以通过电磁离合器与波纹管联轴器给第一电机提供扭矩。
2、本发明中，第一电机与第二电机可以不同时工作，小扭矩高转速时，只有第一电机工作，当需要大扭矩时第一与第二电机同时工作来提供扭矩，这样避免了扭矩的浪费，从而也节省了能源。
3、本发明中，两个电机装在一个壳体内，而不是通过离合器直接在外部连接，节省了密封结构从而节省成本，而且安装使用方便。
4、本发明中，第一主轴与第二主轴之间装有波纹管联轴器而不是硬性连接，这可以对两轴进行径向错动的修正，减少加工误差，还可以降低轴的同轴度要求，减小了轴的加工难度，而且波纹管联轴器还具有传递扭矩达、无噪声的优点。
5、本发明中，使用了干式电磁式离合器，这样可以提高第一主轴对第二主轴的响应速度，而且操作方便，无需润滑。
6、本发明中，所述的铁轭的线圈绕在每一个绕线齿上，这样绕线齿就会产生轴向的磁场，不会对主轴产生干扰磁场，而且产生的磁通路集中，铁轭对衔铁的磁吸效果好。
7、功率输出端的前螺母、前密封环与防尘盖、前小盖形成迷宫密封结构，对主轴内部进行保护。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明：
图1为本发明一种双驱动串联电机式电主轴结构剖面示意图。
图2为波纹管联轴器与电磁式离合器的连接示意图。
图3为铁轭分解图。
图4为铁轭示意图。
图5为图2中Ⅰ处的放大部分。
图6为第二主轴前轴承座示意图。
图7为壳体内水道和排线孔示意图。
图1中：1-第一主轴，2-前螺母、3-防尘盖、4-密封环、5-前小盖、6-轴承外隔垫、7-前盖、8-第一主轴前轴承座、9-轴承内隔垫、10-前内水套、11-壳体、12-平衡环、13-前定子、14-前转子、15-第一主轴后轴承座、16-滚珠保持架、17-第一锁紧螺母、18-波纹管联轴器、19-第二锁紧螺母、20-铆钉、21-衔铁、22-弹簧片、23-铁轭、24-第二主轴、25-第二主轴前轴承座、26-平衡环、27-后内水套、28-后定子、29-后转子、30-后盖、31-预紧螺母、32-第三锁紧螺母、33-接线座、34-铜嘴、101-第一轴承、102-第二轴承、103-第三轴承、104-第四轴承、105-深沟球轴承、106-第五轴承、107-第六轴承。
图2中：105-深沟球轴承、183-法兰、21-衔铁、23-铁轭、25-第二主轴前轴承座、19-第二锁紧螺母、181-滑键套、18-波纹管联轴器、182-波纹管、20-铆钉、22-弹簧片、24-第二主轴、106-第五轴承。
图3图4中：235-铜环、234-第二导线孔、233-绝缘套、232-线圈、231-绕线齿、23-铁轭、236-键槽、237-第一导线孔。
图5中：25-第二主轴前轴承座、251-电极外壳、252-电极、253-弹簧、254-第三导线孔、23-铁轭、232-线圈、233-绝缘套、235-铜环。
图6中：25-第二主轴前轴承座、251-电极外壳、252-电极、254-第三导线孔、255-排线槽。
图7中：7-前盖、8-第一主轴前轴承座、11-壳体、111-第四导线孔、112-排线孔、113-第五导线孔、301-导线槽、114-第六导线孔、302-导线孔、33-接线座、30-后盖、115-第一水道、116-第二水道、81-第三水道。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
由图1至图7给出，装配过程，先将前内水套10和后内水套27装到壳体11内，再将滚珠保持架16装到壳体11内，在外部将前定子14和一对平衡环12装到第一主轴上，将第三轴承103、第四轴承104以及二者之间的内、外隔垫装到后轴承座15内，再将第一主轴1穿进第三轴承103和第四轴承104内，旋进第一锁紧螺母17。装好之后一起装进壳体11内，并和滚珠保持架16配合好，接着压入前定子13。将前轴承座8安装到前盖7内，第一轴承101、第二轴承102以及二者之间的内、外隔垫装到前轴承座8内，然后同时装到第一主轴1上，接着再装上前小盖5、密封环4、防尘盖3、以及锁紧螺母2。
同样在外部将第五轴承106装进第二主轴后轴承座25内，在第二主轴24上装上后定子29和一对平衡环26，再将第二主轴24装到第五轴承106内，在第二主轴穿出的一端用平键固定住铁轭23。将深沟球轴承105装到法兰183内的轴承座上，然后将波纹管联轴器18装到第二主轴24上，接着旋入第二锁紧螺母19，第二锁紧螺母19的直径小于波纹管联轴器18连接花键一端的最小直径。最后再将第二主轴前轴承座25旋进壳体11内部，再将后定子29压进内水套27内，然后装第六轴承107、后盖30、装上第三锁紧螺母32后，旋入预紧螺母31。完成之后， 装上接线座33和铜嘴34。
双驱动电主轴，包括第一、第二主轴1、24，前、后转子14、29，前、后定子13、28，第一轴承101、第二轴承102、第三轴承103、第四轴承104、深沟球轴承105、第五轴承106、第六轴承107，前、后内水套10、27，前螺母2、前小盖5、前密封环4、防尘盖3、平衡环12（共四个），滚柱保持架16、第一主轴前轴承座8、第一主轴后轴承座15、电磁离合器组件、波纹管联轴器组件、外壳11、第二主轴前轴承座25、后盖30、接线座33、铜嘴34；前螺母通2过螺纹旋合在第一主轴1上，前密封环4装在前螺母2后端，第一轴承101装在前密封环后端，所述第一轴承101上还套有第一主轴前轴承座6，前小盖5装在第一主轴前轴承座前端，防尘盖3装于前小盖5前端，这就组成电主轴功率输出端的迷宫密封；冷却机构总成：壳体11内部与第一主轴前轴承座8外圆内设有水道，前、后水套10、27装在壳体11内，前、后定子13、28分别镶于前、后水套10、27内；带有第三水道81的第一主轴前轴承座8装在前盖7内。这就形成了对轴承与定子的冷却机构；前后转子分别装在第一、第二主轴上，平衡环分别装于前后定子两侧；第一、第二主轴之间装有波纹联轴器与电磁离合器构成中间连接机构；支撑机构由第一轴承101、第二轴承102、第三轴承103、第四轴承104、深沟球轴承105、第五轴承106、第六轴承107，第一主轴前轴承座8、第一主轴后轴承座15、第二主轴前轴承座25、后盖30、滚柱保持架16、第一主轴后轴承座15组成，第一轴承101装在前密封环后端，所述第一轴承101、第二轴承102装在第一主轴前轴承座8内，第五轴承106装在第二主轴前轴承座25内，第六轴承107装在后盖30内。壳体7内设有第一水道115、第二水道116，对主轴进行冷却。
本发明中第一主轴1、前定子10、前转子9构成主电机；第二主轴24、后定子28、后转子29构成副电机；衔铁21和铁轭23组成电磁离合器。
主机与副电机同时装在一个壳体11内，不需要外部连接将两个电主轴装在一起，且第二主轴不需要受到加工时的轴向力所以只需用两套轴承即可，这样可以简化第二主轴的结构，节约了成本。
第一主轴1与第二主轴24通过波纹管离合器18与电磁离合器连接，两主轴并非硬性连接，这就使得两轴的灵活性提高，第一主轴1可以独立工作，也可以和第二主轴24一起工作，第二主轴24工作时可以通过电磁离合器与波纹管离合器18给第一主轴1提供动力。
本发明中第一主轴1末端与波纹管联轴器18连接，连接部位是滑键，波纹管联轴器18和第一主轴1之间可以有轴向的滑动，当第一主轴1受热膨胀时产生的轴向伸长量到滑键部位就会消失，不会影响电磁离合器的工作；如图2所示本发明中的波纹管联轴器18由滑键套181波纹管182和法兰183组成且三者为一整体，波纹管联轴器18的后半部分为电磁离合器的前半部分（也就是电磁离合器的法兰181和衔铁21部分），法兰183与衔铁21之间铆接有弹簧片22，弹簧片22上有两圈铆钉20，外圈铆钉与衔铁21铆接，内圈的铆钉与法兰183铆接；如图3和图4所示铁轭23是由盘形硅钢片叠加而成，其上加工有绕线齿231，每个绕线齿231上绕一组线圈232，线圈之间并连连接在电源上；铁轭23内孔加工有键槽236，方便与第二主轴24配合；铁轭23背面的两圈凹槽内装有绝缘套233，绝缘套233内装有横截面积为圆形的导电铜环235，铜环235为线圈232 的接线口，它与线圈232通过绝缘套233上的第二导线孔234和铁轭23上的第一导线孔237连接。法兰183与第二主轴24之间安装有深沟球轴承105。
如图5所示，电磁离合器工作时是转动的，电源必须经过铜环235才能接入线圈232，所以本发明设计了滑动接头，该滑动接头由电极252，装在电极252外部的电极外壳251，和装在电极252下端的弹簧253组成，其中电极252由耐磨性导电材料制成，电极外壳251由电木制成。滑动接头共两个，分别为两个铜环235供电，外部导线穿过电极外壳251下端的第三导线孔254和弹簧253的内孔与电极252接在一起。滑动接头安装在第二主轴前轴承座25上，如图6所示，轴承座25背部相应加工有排线槽255和盲孔256，便于排线和安装。
如图7所示，第一主轴前轴承座8的外圆加工有第三水道81，轴承座8装在前盖7内，共同组成第一轴承101和第二轴承102的冷却水道。壳体11内部加工有第一水道115和第二水道116，并与内水套10和27配合形成冷却水道分别对两个电机进行冷却。壳体11内部加工有排线孔112，主电机和电磁离合器线圈的导线通分别通过第四导线孔111和第五导线孔113进入排线孔112，再通过第六导线孔114进入到后盖30内的导线槽301内，再和副电机的电源线一起从后盖30内的导线孔302导出到接线座33上。
本发明中第一电机1为高转速小扭矩的电机，第二电机为低速大扭矩的电机的电机。当本电主轴在第一电机驱动下，从波纹管联轴器18、一直到铁轭21都跟随第一主轴1旋转。当刀具工作到需要大扭矩的工作环境时，第一电机线圈中的电流势必增大，检测控制装置也会检测到第一主轴1线圈中电流增大的趋势，此时，控制装置发送启动信息给第二电机，第二电机开始启动，根据副电机性能加速一定时间后达到最高转速后，电磁离合器开始工作，电磁离合器的衔铁23被铁轭21吸引，于是第二主轴24通过电磁离合器与波纹联轴器18给刀具提供扭矩。这样此电主轴既满足了小扭矩、高转速的工况需求，又实现了大扭矩、低能耗的目标。所以多适合用于铣削磨钻方面的加工。

Claims (8)

1.双驱动串联电机式电主轴，包括电主轴壳体，壳体内前部分安装有第一主轴前轴承座和第一主轴后轴承座，第一主轴前轴承座和第一主轴后轴承座之间经轴承穿设有第一主轴，第一主轴上装有第一电机转子，第一转子外侧设有第一电机定子，其特征在于，所述第一主轴后端的壳体内装有第二主轴前轴承座和第二主轴后轴承座，第一主轴前轴承座和第二主轴后轴承座之间经轴承装有第二主轴，第二主轴上套装有第二电机转子，电机转子外侧设有第二电机定子，第一主轴后端上套装有波纹管联轴器，第二主轴前端固定有电磁离合器，电磁离合器和波纹管联轴器相连接。
2.根据权利要求1所述的双驱动串联电机式电主轴，其特征在于，所述壳体内装有滚珠保持架，第一主轴后轴承座装在滚珠保持架内，所述第一主轴与波纹管联轴器之间经滑键连接。
3.根据权利要求1所述的双驱动串联电机式电主轴，其特征在于，所述电磁离合器包括固定在波纹联轴器后端的法兰，法兰经内部的深沟球轴承装在第二主轴上，法兰后端经弹簧圈固定有间隔套在第二主轴上的衔铁，衔铁后方间隙设有间隔套在第二主轴上的铁轭，盘形铁轭的外圆面固定在壳体上，盘形铁轭上布置有线圈。
4.根据权利要求3所述的双驱动串联电机式电主轴，其特征在于，所述弹簧圈由内外两圈固定孔，内圈固定孔经铆钉装在法兰上，外圈固定孔径铆钉装在衔铁上。
5.根据权利要求3所述的双驱动串联电机式电主轴，其特征在于，所述盘形铁轭由圆形刚硅片硅钢片叠加构成，铁轭上加工有绕线齿，每个绕线齿上饶一组线圈，线圈之间并联接在电源上，铁轭背面加工有两条以铁轭中心为圆心的圆形槽，两个圆形槽内分别设有一个连通线圈的第一导线孔，圆形槽内装有绝缘套，绝缘套内装有铜环，两个绝缘套上各有一个与第一导向孔对齐的第二导线孔，用于线圈与铜环的连接。
6.根据权利要求5所述的双驱动串联电机式电主轴，其特征在于，所述第二主轴前轴承座内装有两个给线圈通电的电极。
7.根据权利要求1所述的双驱动串联电机式电主轴，其特征在于，所述第一主轴上通过螺纹旋合有前螺母，前螺母后端装有前密封环，第一主轴前部的轴承置于前密封环后端，第一主轴前轴承座前端装有前小盖，前小盖前端装有防尘盖，构成电主轴功率输出端的迷宫密封；所述壳体后端装有后盖，后盖后端中间部分装有置于后盖内且套在第二主轴上的密封环，构成电主轴后端的迷宫密封。
8.根据权利要求5所述的双档串联式电机电主轴，其特征在于，所述衔铁与铁轭之间的间隙为0.4正负0.02毫米。
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