CN105864293B - 一种集成化的五自由度磁悬浮电主轴 - Google Patents

一种集成化的五自由度磁悬浮电主轴 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集成化的五自由度磁悬浮电主轴，转子铁芯包括轴向部分、径向部分，轴向部分右侧端设置有转子永磁体；所述定子包括左侧径向磁轴承铁芯、右侧电机铁芯；左侧环形永磁体、右侧环形永磁体；左侧轴向控制铁芯、右侧轴向控制铁芯；左侧轴向控制铁芯与右侧轴向控制铁芯之间设置有隔磁铝环；本发明有效解决了现有的五自由度磁悬浮电主轴的不足，提供一种结构紧凑，控制、制造与装配简单，体积小，重量轻，轴向长度短，临界转速高，径向带负载能力强，转速和输出功率高的集成化五自由度磁悬浮电主轴。

Description

一种集成化的五自由度磁悬浮电主轴
技术领域
本发明涉及电主轴制造技术领域，具体涉及一种结构紧凑，控制、制造与装配简单，体积小，重量轻，轴向长度短，临界转速高，铁芯利用率高，径向和轴向带负载能力强，系统转速和输出功率高的一种高度集成化的五自由度磁悬浮电主轴。
背景技术
五自由度磁悬浮电主轴是利用磁悬浮技术在产生旋转转矩的同时，也产生使转子稳定悬浮的径向力，是实现定、转子之间无任何机械接触运行的一种新型高性能驱动系统。由于定、转子之间不存在机械摩擦，所以五自由度磁悬浮电主轴的转子可达到很高的运行转速，并且具有无机械磨损、能耗低、寿命长、无需润滑、无污染等优点，特别适合应用于高速或超高速直接驱动领域。
要实现定、转子之间无机械接触，必须在五个自由度上对转子施加控制力。五自由度磁悬浮电主轴的结构形式主要分为以下几种：、由一个轴向单自由度磁轴承、两个径向两自由度磁轴承和一个高速电机单元组成。、由一个径向-轴向三自由度磁轴承、一个径向两自由度磁轴承和高速电机单元组成。、由一个轴向单自由度磁轴承、一个径向两自由度磁轴承和一个径向两自由度无轴承电机组成。、两个径向两自由度无轴承电机、一个轴向单自由度磁轴承组成。、由一个径向两自由度无轴承电机和一个轴向-径向三自由度磁轴承组成。
不论采用哪一种结构形式，现有的悬浮电主轴全部是由多个独立单元，沿着轴向组合而成，导致轴向长度长，临界转速低，体积大，控制复杂，且径向与轴向带负载能力差，系统转速和输出功率低，严重制约了磁悬浮电主轴的工业应用进程。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种集成化的五自由度磁悬浮电主轴，本发明有效解决了现有的五自由度磁悬浮电主轴的不足，提供一种结构紧凑，控制、制造与装配简单，体积小，重量轻，轴向长度短，临界转速高，径向带负载能力强，转速和输出功率高的集成化五自由度磁悬浮电主轴。
本发明通过以下技术方案实现：
一种集成化的五自由度磁悬浮电主轴，包括定子、转子铁芯（8），其特征在于：所述转子铁芯（8）包括轴向部分、径向部分，轴向部分右侧端设置有转子永磁体（19）；所述定子包括沿转子铁芯（8）的轴向部分，并以转子铁芯（8）的径向部分为对称中心，依次对称设置的左侧径向磁轴承铁芯(1)、右侧电机铁芯(7)；左侧环形永磁体(2)、右侧环形永磁体(6)；左侧轴向控制铁芯(3)、右侧轴向控制铁芯(5)；左侧轴向控制铁芯(3)与右侧轴向控制铁芯(5)之间设置有隔磁铝环（4）；左侧径向磁轴承铁芯(1)的定子齿上绕制有径向悬浮控制绕组（9），右侧电机铁芯(7)的定子槽内沿径向外层绕制悬浮控制绕组（10），内层绕制转矩绕组（11）；左侧轴向控制铁芯(3)、右侧轴向控制铁芯(5)均呈E形结构，定子槽内分别绕制轴向控制绕组(14)。
本发明进一步技术改进方案是：
所述左侧轴向控制铁芯(3)、右侧轴向控制铁芯(5)分别均由上下位置设置的吸力圆盘(12、15；16、18)以及中间位置设置的控制圆盘（13、17）构成，轴向控制绕组(14)绕制于吸力圆盘(12、15；16、18)与控制圆盘（13、17）之间。
本发明进一步技术改进方案是：
所述控制圆盘（13、17）与转子铁芯（8）径向部分之间的气隙长度大于吸力圆盘（12、15；16、18）与转子铁芯（8）径向部分之间的气隙长度，且吸力圆盘（12、15；16、18）与转子铁芯（8）径向部分之间的气隙长度小于左侧轴向控制铁芯(3)、右侧轴向控制铁芯(5)与转子铁芯（8）轴向部分之间的气隙长度。
本发明进一步技术改进方案是：
所述左侧环形永磁体(2)、右侧环形永磁体(6)均为轴向充磁的环形永磁体，在五个自由度上产生偏置磁通。
本发明进一步技术改进方案是：
所述隔磁铝环（4）由整块铝材制成，将左右两侧磁路相隔开，且减少漏磁。
本发明进一步技术改进方案是：
所述左侧径向磁轴承铁芯(1)、左侧轴向控制铁芯(3)、右侧轴向控制铁芯(5)、右侧电机铁芯(7)、转子铁芯（8）均采用具有良好轴向和径向导磁性能的材料制成。
本发明进一步技术改进方案是：
所述左侧环形永磁体(2)、右侧环形永磁体(6) 、转子永磁体（19）均为稀土永磁材料制成。
本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：
一、本发明五自由度磁悬浮电主轴，由定子和转子组成，实现转子在五个自由度上稳定悬浮与旋转，结构紧凑，体积小，重量轻，轴向长度短，临界转速高，铁芯利用率高，系统转速和输出功率高；
二、本发明高度集成化的五自由度磁悬浮电主轴由两个轴向磁化的环形永磁体给左侧径向磁轴承铁芯、右侧电机铁芯和左、右轴向控制铁芯提供偏置磁通，而左侧径向磁轴承与右侧电机的悬浮控制绕组产生相应的径向控制磁通，轴向控制绕组通电产生轴向控制磁通，由控制磁通调节相对应位置的偏置磁通，保证定、转子之间轴向和径向气隙均匀，实现转子五自由度稳定悬浮；
三、本发明采用采用隔磁铝环将左右两侧磁路相互隔离，且保证偏置磁通不经过永磁体，且减少漏磁，偏置磁通均不经过永磁体，可产生较大的轴向和径向悬浮力、低功耗、控制简单。
附图说明
图1为本发明集成化的五自由度磁悬浮电主轴结构示意图；
图2为本发明集成化的五自由度磁悬浮电主轴磁路示意图。
具体实施方式
本发明基于的原理是：由轴向磁化的左侧环形永磁体2给左侧径向磁轴承铁芯1提供左侧偏置磁通20，左侧径向磁轴承悬浮控制绕组9产生的左侧控制磁通28起调节作用；轴向磁化的左侧环形永磁体2给左侧轴向控制铁芯3提供左侧轴向偏置磁通21和22，轴向控制绕组14产生的左侧轴向控制磁通23起调节作用；轴向磁化的右侧环形永磁体6给右侧电机提供右侧偏置磁通24，右侧电机径向悬浮控制绕组10产生的右侧控制磁通29起调节作用；轴向磁化的右侧环形永磁体6给右侧轴向控制铁芯5提供右侧轴向偏置磁通25和26，轴向控制绕组14产生的右侧轴向控制磁通27起调节作用；通过五个自由度上的位移闭环控制，实现转子铁芯8在径向和轴向五自由度上稳定悬浮，电机的转矩绕组11产生的磁通与相对应的转子永磁体19产生的永磁磁通相互作用产生旋转转矩；隔磁铝环4将左、右侧的偏置磁通相互隔开，减小漏磁，保证磁路的正确性。
如图1、2所示，发明五自由度磁悬浮电主轴，由定子和转子组成，定子包括：左侧径向磁轴承铁芯1、左侧环形永磁体2、左侧轴向控制铁芯3、隔磁铝环4、右侧轴向控制铁芯5、右侧环形永磁体6、右侧电机铁芯7；转子铁芯8包括轴向部分和径向部分，在其右侧电机铁芯7对应位置的转子铁芯8表面贴有转子永磁体19。
左侧径向磁轴承铁芯1可做成三极、四极、八极等结构，在其定子齿上绕制径向悬浮控制绕组9，右侧电机铁芯7做成电机定子槽型结构，槽分两层，外层嵌入悬浮控制绕组10，内层嵌入转矩绕组11，悬浮控制绕组10分成X方向和Y方向控制绕组，X方向控制绕组由绕组X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12串联而成，通电形成两极磁场，Y方向控制绕组由绕组Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8、Y9、Y10、Y11、Y12串联而成，通电形成两极磁场；转矩绕组11通电形成的磁场极对数与转子永磁体磁场极对数相同，按照常规电机绕组绕制即可，且转矩绕组磁场极对数需大于等于3。
左侧轴向控制铁芯3做成E型结构，中间为控制圆盘13，上、下位置是吸力圆盘12和15，右侧轴向控制铁芯5也做成E型结构，中间为控制圆盘17，上、下位置是吸力圆盘16和18，在吸力圆盘12、15、16、18和控制圆盘13、17之间嵌入轴向控制绕组14，轴向控制绕组14由如图1所示的四个绕组相互串联而成；控制圆盘13、17与转子铁芯8的径向部分之间的气隙长度大于吸力圆盘12、15、16、18与转子铁芯8的径向部分之间的气隙长度，且吸力圆盘12、15、16、18与转子铁芯8的径向部分之间的气隙长度小于左、右侧轴向控制铁芯3和5与转子铁芯8的轴向部分之间的气隙长度。
左侧环形永磁体2安装在左侧径向磁轴承铁芯1和左侧轴向控制铁芯3之间；隔磁铝环4安装在左侧轴向控制铁芯3和右侧轴向控制铁芯5之间；右侧环形永磁体6安装在右侧轴向控制铁芯5和右侧电机铁芯7之间。左侧径向磁轴承铁芯1、左侧轴向控制铁芯3、右侧轴向控制铁芯5、右侧电机铁芯7和共同转子8由轴向和径向导磁性能良好的材料制成，集成化五自由度磁悬浮电主轴是由以上各部分沿着轴向叠装而成，上述的集成化五自由度磁悬浮电主轴可实现转子稳定悬浮与旋转。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种集成化的五自由度磁悬浮电主轴，包括定子、转子铁芯（8），其特征在于：所述转子铁芯（8）包括轴向部分、径向部分，轴向部分右侧端设置有转子永磁体（19）；所述定子包括沿转子铁芯（8）的轴向部分，并以转子铁芯（8）的径向部分为对称中心，依次对称设置的左侧径向磁轴承铁芯(1)、右侧电机铁芯(7)；左侧环形永磁体(2)、右侧环形永磁体(6)；左侧轴向控制铁芯(3)、右侧轴向控制铁芯(5)；左侧轴向控制铁芯(3)与右侧轴向控制铁芯(5)之间设置有隔磁铝环（4）；左侧径向磁轴承铁芯(1)的定子齿上绕制有径向悬浮控制绕组（9），右侧电机铁芯(7)的定子槽内沿径向外层绕制悬浮控制绕组（10），内层绕制转矩绕组（11）；左侧轴向控制铁芯(3)、右侧轴向控制铁芯(5)均呈E形结构，定子槽内分别绕制轴向控制绕组(14)，转矩绕组（11）通电形成的磁场极对数与转子永磁体（19）磁场极对数相同。
2.根据权利要求1所述的一种集成化的五自由度磁悬浮电主轴，其特征在于：所述左侧轴向控制铁芯(3)、右侧轴向控制铁芯(5)分别均由上下位置设置的吸力圆盘(12、15；16、18)以及中间位置设置的控制圆盘（13、17）构成，轴向控制绕组(14)绕制于吸力圆盘(12、15；16、18)与控制圆盘（13、17）之间。
3.根据权利要求2所述的一种集成化的五自由度磁悬浮电主轴，其特征在于：所述控制圆盘（13、17）与转子铁芯（8）径向部分之间的气隙长度大于吸力圆盘（12、15；16、18）与转子铁芯（8）径向部分之间的气隙长度，且吸力圆盘（12、15；16、18）与转子铁芯（8）径向部分之间的气隙长度小于左侧轴向控制铁芯(3)、右侧轴向控制铁芯(5)与转子铁芯（8）轴向部分之间的气隙长度。
4.根据权利要求1或2所述的一种集成化的五自由度磁悬浮电主轴，其特征在于：所述左侧环形永磁体(2)、右侧环形永磁体(6)均为轴向充磁的环形永磁体，在五个自由度上产生偏置磁通。
5.根据权利要求1或2所述的一种集成化的五自由度磁悬浮电主轴，其特征在于：所述隔磁铝环（4）由整块铝材制成，将左右两侧磁路相隔开，且减少漏磁。
6.根据权利要求1或2所述的一种集成化的五自由度磁悬浮电主轴，其特征在于：所述左侧径向磁轴承铁芯(1)、左侧轴向控制铁芯(3)、右侧轴向控制铁芯(5)、右侧电机铁芯(7)、转子铁芯（8）均采用具有良好轴向和径向导磁性能的材料制成。
7.根据权利要求4所述的一种集成化的五自由度磁悬浮电主轴，其特征在于：所述左侧环形永磁体(2)、右侧环形永磁体(6) 、转子永磁体（19）均为稀土永磁材料制成。
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