CN112160985A - 不同磁极面的双片径向六极混合磁轴承支承的电主轴系统 - Google Patents

不同磁极面的双片径向六极混合磁轴承支承的电主轴系统 Download PDF

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朱利东
华逸舟
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Abstract

本发明公开一种不同磁极面的双片径向六极混合磁轴承支承的电主轴系统，带动转轴旋转，高速主轴电机的轴向左右两侧各是一个结构相同、相对于高速主轴电机中心点对称的径向‑轴向磁轴承，轴向右侧的第一径向‑轴向磁轴承由沿轴向依次布置的第一径向磁轴承、第一环形永磁体和第一锥形磁轴承组成，第一径向磁轴承靠近高速主轴电机，第一锥形磁轴承由第一锥形定子、第一锥形转子和第一锥形磁轴承控制线圈组成，第一锥形转子的锥形外表面和第一锥形定子磁极的内表面是锥形，第一锥形定子磁极的锥形内表面大端靠近第一径向磁轴承；本发明采用锥形磁轴承取代轴向磁轴承，可以去掉止推盘，缩短转子轴向长度，有利于转子临界转速的提高。

Description

不同磁极面的双片径向六极混合磁轴承支承的电主轴系统
技术领域
本发明属于非接触式磁悬浮轴承领域，具体涉及由混合磁悬浮轴承支承的电主轴系统，适用于高速、超高速、高精度的数控机床。
背景技术
传统接触式轴承(滑动轴承、滚动轴承)支承的电主轴由于主轴与轴承之间的接触摩擦和磨损，带来了主轴热变形、寿命短、抗震性不足等一系列问题。磁悬浮轴承(简称磁轴承)利用通电线圈或永磁体产生电磁力将转子悬浮于空中，使定子和转子之间没有任何机械接触，具有无摩擦、无磨损、无污染、高速度、高精度、高效率、噪声小和寿命长等一系列传统轴承无可比拟的优点，特别符合高速电主轴的高速、高精、寿命长的要求。
磁轴承按照受控自由度数可以分为单自由度磁轴承(轴向磁轴承)、两自由度磁轴承(径向磁轴承)和三自由度磁轴承(径向-轴向磁轴承)。电主轴采用三自由度磁轴承支承，可以减小体积，缩短了轴向长度，有利于转子临界转速的提高。按悬浮力产生方式可以分为被动磁轴承(悬浮力由永磁体提供)、主动磁轴承(悬浮力由线圈电流提供)和混合磁轴承(悬浮力由永磁体和线圈电流共同产生)，电主轴采用混合磁轴承支承，永磁体提供偏置磁通，有利于减小体积，降低功耗。按磁极形状可以分为圆柱径向磁轴承、锥形磁轴承和球面磁轴承，电主轴采用锥形磁轴承支承，可以减小体积，并且悬浮力计算简单。
中国专利申请号为CN200810234272，名称为“五自由度交流磁轴承支承的高速电主轴系统”的文献中提出一种由一个交直流三自由度主动磁轴承和一个交流二自由度主动磁轴承支承高速主轴电机的结构，其中电主轴采用轴向推力磁轴承提供轴向悬浮力，需要较大的止推盘，这会增大电主轴体积，增大装配难度，限制临界转速的提高；电主轴采用主动形式的三极磁轴承，偏置磁通需要线圈提供偏置磁通会增大体积和功耗，采用三极结构会造成径向两个自由度之间的耦合和非线性增大，不利于精确控制。
发明内容
本发明的目的是针对现有五自由度磁悬浮电主轴系统的不足，设计出一种无需止推盘、结构紧凑、功耗低、能稳定悬浮运行的不同磁极面的双片径向六极混合磁轴承支承的高速电主轴系统。
本发明的技术方案如下：包括一根转轴，高速主轴电机转子同轴心地套在转轴的轴向中间位置，带动转轴旋转，高速主轴电机的轴向左右两侧各是一个结构相同、相对于高速主轴电机中心点对称的径向-轴向磁轴承，轴向右侧的第一径向-轴向磁轴承由沿轴向依次布置的第一径向磁轴承、第一环形永磁体和第一锥形磁轴承组成，第一径向磁轴承靠近高速主轴电机，第一锥形磁轴承远离高速主轴电机，第一环形永磁体沿轴向充磁，固定嵌在第一径向磁轴承和第一锥形磁轴承之间且三者的外径相同，所述的第一径向磁轴承由第一径向定子、第一径向转子和第一径向控制线圈组成，第一径向定子同轴套在第一径向转子外部，且二者之间存在径向气隙；所述的第一径向定子由一个第一环形径向定子轭以及六个沿第一环形径向定子轭内壁圆周均匀布置的呈凸型的第一径向定子磁极组成，第一径向定子磁极内壁表面为圆柱面，每个第一径向定子磁极上都缠绕方向相同的第一径向控制线圈，相对磁极的第一径向控制线圈串联成一相且三相星形连接，第一径向转子为圆筒状，同轴心地紧密固定套在转轴外；所述的第一锥形磁轴承由第一锥形定子、第一锥形转子和第一锥形磁轴承控制线圈组成，第一锥形定子同轴心地套在第一锥形转子外部，且二者之间存在气隙，第一锥形转子同轴心地紧密固定套在转轴外，第一锥形定子由一个第一环形定子轭以及六个沿第一环形定子轭圆周方向均匀地呈凸型分布的第一锥形定子磁极组成，每个第一锥形定子磁极上都绕方向相同的第一锥形磁轴承控制线圈，相对磁极的第一锥形磁轴承控制线圈串联成一相且三相星形连接；第一锥形定子磁极的内表面是锥角为θ的锥形，第一锥形转子的锥形外表面是与第一锥形定子磁极的锥形内表面结构一致的锥形，二者之间存在锥形的气隙；第一锥形定子磁极的锥形内表面和第一锥形转子的锥形外表面的大端靠近第一径向磁轴承、小端朝向与大端相反；所述的第一锥形转子和第一径向转子沿轴向固定串接在一起；轴向左侧的第二径向-轴向磁轴承是由沿轴向依次布置的第二锥形磁轴承、第二环形永磁体和第二径向磁轴承组成，第二锥形磁轴承和结构和第一锥形磁轴承全相同但两者沿高速主轴电机的中心对称布置，第二环形永磁体和第一环形永磁体的结构完全相同但两者沿高速主轴电机的中心对称布置，第二径向磁轴承和第一径向磁轴承的结构完全相同但两者沿高速主轴电机的中心对称布置。
所述的锥角θ是由磁轴承设计要求的径向承载力Fr和轴向承载力Fz比值决定：
Figure BDA0002635564080000021
改变锥角θ的大小能改变径向悬浮力和轴向悬浮力之比。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.与传统接触式轴承支承的电主轴系统相比，本发明的五自由度交流磁轴承支承的高速电主轴具有转速高、控制精度高、无需润滑、功耗低、对环境友好、寿命长等优点，实现了旋转机械系统高速、高精、成本低、实用性强的要求。
2.本发明采用锥形磁轴承取代电主轴用的轴向磁轴承，使电主轴采用了不同磁极面磁磁轴承，可以去掉止推盘，缩短了转子的轴向长度，有利于转子临界转速的提高，并且在设计磁轴承时只需改变锥形磁轴承定转子的方向角就可以得到满足设计要求的磁轴承，简化了设计步骤。
3.本发明的磁轴承采用环形永磁体给径向磁轴承和锥形磁轴承同时提供偏置磁通，有利于减小体积和功耗，定子采用圆柱磁极面和锥形磁极面结构，有利于提高电主轴的径向承载力。
附图说明
图1是本发明机械结构示意图；
图2是图1中的主体部件结构示意图；
图3是图2中第一径向-轴向磁轴承的轴向结构示意图；
图4是图3中第一径向磁轴承的径向结构示意图；
图5是图3中第一锥形磁轴承的径向结构示意图；
图6是图2中第二径向-轴向磁轴承的轴向结构示意图；
图7是图6中第二锥形磁轴承径向结构示意图；
图8是图6中第二径向磁轴承径向结构示意图。
图中：1.转轴，2.右端盖，3.第一径向-轴向辅助轴承，6.第一锥形转子，7.第一锥形磁轴承控制线圈，8.第一锥形定子，10.钢筒外套，11.钢筒内套，12.第一环形永磁体，13.第一径向转子，14.第一径向定子，15.第一径向控制线圈，16.高速主轴电机定子，17.高速主轴电机转子，18.第二径向控制线圈，19.第二径向定子，21.第二径向转子，20.第二环形永磁体，22.第二锥形定子，23.第二锥形磁轴承控制线圈，24.第二锥形转子，25.左端盖，26.第二径向-轴向辅助轴承，27.轴向位移传感器探头，28.第一径向-轴向磁轴承，29.高速主轴电机，30.第二径向-轴向磁轴承，31.第一径向-轴向磁轴承的偏置磁通，32.第一径向磁轴承的控制磁通，33.第一锥形磁轴承的控制磁通，34.第二径向-轴向磁轴承的偏置磁通，35.第二锥形磁轴承的控制磁通，36.第二径向磁轴承的控制磁通回路，41.右端径向位移传感器探头，42.左端径向位移传感器探头，51.右端传感器支架，52.左端传感器支架，81.第一定子轭，82.第一锥形定子磁极，91、92、93、94.限位套筒，141.第一径向定子轭，142.第一径向定子磁极，191.第二径向定子轭，192.第二径向定子磁极，221.第二定子轭，222.第二锥形定子磁极，281.第一径向磁轴承，282.第一锥形磁轴承，301.第二锥形磁轴承，302.第二径向磁轴承。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明包括一根转轴1和一个高速主轴电机29，高速主轴电机29包括高速主轴电机定子16和高速主轴电机转子17，高速主轴电机转子17同轴心地套在转轴1的轴向中间位置，带动转轴1旋转。在高速主轴电机29的轴向两侧各有一个径向-轴向磁轴承，分别是第一径向-轴向磁轴承28和第二径向-轴向磁轴承30，第一径向-轴向磁轴承28和第二径向-轴向磁轴承30的结构完全相同，但相对于高速主轴电机29的中心点沿轴向对称安装，也就是背向安装。
在高速主轴电机29、第一径向-轴向磁轴承28和第二径向-轴向磁轴承30的外部同轴心地包裹一个钢筒，该钢筒由钢筒外套10和钢筒内套11构成，钢筒外套10和钢筒内套11之间具有用于系统水冷散热的螺旋沟道。高速主轴电机定子16固定连接于钢筒内套11的内壁上。钢筒外套10和钢筒内套11的左右端面上各固定连接左端盖25和右端盖2，右端盖2上固定连接第一径向-轴向辅助轴承3，左端盖25上固定连接第二径向-轴向辅助轴承26，转轴1同轴穿过第一径向-轴向辅助轴承3和第二径向-轴向辅助轴承26，这两个辅助轴承用于磁轴承停机或故障状态下对转轴1进行支承。
第一径向-轴向磁轴承28位于高速主轴电机29和右端盖2之间，之间留有轴向距离。在右端盖2和第一径向-轴向磁轴承28之间依次连接右端传感器支架51和限位套筒91，限位套筒91对第一径向-轴向磁轴承28进行限位，右端传感器支架51上固定设有沿圆周均匀分布的4个径向位移传感器探头41，用来检测转轴1右端径向两个自由度的位移。
高速主轴电机29的左右轴向两端面分别安装有限位套筒92和限位套筒93，限位套筒92紧密嵌在高速主轴电机29和第一径向-轴向磁轴承28之间之间，限位套筒93紧密嵌在高速主轴电机29和第二径向-轴向辅助轴承26之间，用于三者进行轴向限位。
第二径向-轴向磁轴承30位于高速主轴电机29和左端盖25之间，之间留有轴向距离。左端盖25与第二径向-轴向辅助轴承26之间依次连接左端传感器支架52和限位套筒94，限位套筒94对第二径向-轴向辅助轴承26进行轴向限位，左端传感器支架52上沿圆周均匀分布4个径向位移传感器探头42，用来检测转轴1左端径向两个自由度的位移。在左端盖25的中心位置上安装轴向位移传感器探头27，用来检测转轴1的轴向位移。
如图2、图3、图4和图5所示，第一径向-轴向磁轴承28由沿轴向依次布置的第一径向磁轴承281、第一环形永磁体12和第一锥形磁轴承282组成。第一径向磁轴承281靠近高速主轴电机29，第一锥形磁轴承282远离高速主轴电机29，第一锥形磁轴承282靠近右端盖2。第一环形永磁体12沿轴向充磁，固定嵌在第一径向磁轴承281和第一锥形磁轴承282之间且三者的外径相同，第一环形永磁体12的内径等于第一径向磁轴承281和第一锥形磁轴承282的定子轭的内径。第一环形永磁体12为第一径向-轴向磁轴承28提供偏置磁通。
其中，第一径向磁轴承281由第一径向定子14、第一径向转子13和第一径向控制线圈15组成，第一径向定子14的外壁固定连接于钢筒内套11的内壁上。第一径向定子14同轴套在第一径向转子13外部，且二者之间存在径向气隙。第一径向定子14由一个第一环形径向定子轭141以及六个沿第一环形径向定子轭141内壁圆周均匀布置的呈凸型的第一径向定子磁极142组成，第一径向定子磁极142内壁表面为圆柱面，每个第一径向定子磁极142上都缠绕方向相同的第一径向控制线圈15，相对磁极的第一径向控制线圈15串联成一相，三相采用星形连接，可采用一个三相逆变器控制悬浮力的大小和方向。第一径向转子13为圆筒状，同轴心地紧密固定套在转轴1外。
其中，第一锥形磁轴承282由第一锥形定子8、第一锥形转子6和第一锥形磁轴承控制线圈7组成。第一锥形转子6同轴心地紧密固定套在转轴1外。第一锥形定子8的外壁固定连接于钢筒内套11的内壁上，并且第一锥形定子8同轴心地套在第一锥形转子6外部，且二者之间存在气隙。第一锥形定子8由一个第一环形定子轭81以及六个沿第一环形定子轭81圆周方向均匀地呈凸型分布的第一锥形定子磁极82组成。每个第一锥形定子磁极82上都缠有缠绕方向相同的第一锥形磁轴承控制线圈7，相对磁极的第一锥形磁轴承控制线圈7串联成一相，三相采用星形连接，可采用一个三相逆变器控制悬浮力的大小和方向。
第一环形定子轭81和第一环形径向定子轭141的内径、外径对应地相等，分别等于第一环形永磁体12的内径、外径。
第一锥形定子磁极82的内表面为锥形，第一锥形转子6的锥形外表面是与第一锥形定子磁极82的锥形内表面结构相一致的锥形，二者的锥角θ相等，二者之间存在锥形的气隙。第一锥形定子磁极82的锥形内表面和第一锥形转子6的锥形外表面的大端朝向第一径向-轴向磁轴承28内部，也就是靠近第一径向磁轴承281，第一锥形定子磁极82的锥形内表面和第一锥形转子6的锥形外表面的小端朝向与大端相反，朝向第一径向-轴向磁轴承28外部，也就是靠近右端盖2。第一锥形转子6的小端的外径要大于第一径向转子13的外径。
第一锥形转子6和第一径向转子13的中心轴共线，沿轴向固定串接在一起，可以做成一个整体。其中，第一锥形转子6和第一锥形定子磁极82的轴向厚度相等，并且第一锥形转子6的左右两端面分别与第一锥形定子磁极82的左右两端面平齐，在轴向上完全对齐。而第一径向转子13的左端面与第一径向定子磁极142的左端面对齐。
如图2、图6、图7和图8所示，第二径向-轴向磁轴承30和第一径向-轴向磁轴承的结构完全相同，但两者沿高速主轴电机29的中心对称布置。第二径向-轴向磁轴承30是由沿轴向依次布置的第二锥形磁轴承301、第二环形永磁体20和第二径向磁轴承302组成，第二环形永磁体20固定嵌在第二锥形磁轴承301和第二径向磁轴承302之间，为第二径向-轴向磁轴承30提供偏置磁通。其中，第二锥形磁轴承301和结构和第一锥形磁轴承282完全相同，但两者沿高速主轴电机29的中心对称布置。第二环形永磁体20和第一环形永磁体12的结构完全相同，但两者沿高速主轴电机29的中心对称布置，因此，两者的轴向充磁方向相反。第二径向磁轴承302和第一径向磁轴承281的的结构完全相同，但两者沿高速主轴电机29的中心对称布置。
第二锥形磁轴承301由第二锥形定子22、第二锥形转子24和第二锥形磁轴承控制线圈23组成。其结构和装配方式与第一锥形定子8、第一锥形转子6和第一锥形磁轴承控制线圈7对应地相同。
第二锥形定子22由一个环形的第二定子轭221以及六个沿圆周均匀呈凸型分布的第二锥形定子磁极222组成。其结构和装配方式与第一锥形定子8相同。每个第二锥形定子磁极222上都绕有方向相同的第二锥形磁轴承控制线圈23，相对磁极的第二锥形磁轴承控制线圈23串联成一相，三相采用星形连接，可采用一个三相逆变器控制悬浮力的大小和方向。
第二锥形转子24外表面为锥形结构，其锥角θ与第二锥形定子磁极222的内表面的锥角θ相等。
第二径向磁轴承302由第二径向定子19、第二径向转子21和第二径向控制线圈18组成。第二径向定子19由一个环形的第二径向定子轭191以及六个沿圆周均匀呈凸型分布的第二径向定子19径向定子磁极192组成，每个第二径向定子磁极192上都绕有方向相同的第二径向控制线圈18，相对磁极的第二径向控制线圈18串联成一相，三相采用星形连接，可采用一个三相逆变器控制悬浮力的大小和方向。第二径向磁轴承302的结构和装配方式和第一径向磁轴承281完全相同，第二径向定子19的结构与装配方式和第一径向定子14完全相同，不再赘述。
第一锥形定子磁极82和第二锥形定子磁极222的内表面、第一锥形转子6和第二锥形转子24的外表面的锥角θ是依据设计要求中的径向承载力Fr和轴向承载力Fz比值决定的，如下式所示：
Figure BDA0002635564080000071
当锥角θ为30°时，第一锥形磁轴承282和第二锥形磁轴承301的最大径向悬浮力和轴向悬浮力之比为1:3，当第一磁轴承锥形控制线圈7和第一径向控制线圈15通入相同的三相电流时，第一径向-轴向磁轴承28的径向悬浮力和轴向悬浮力之比为5:3，电主轴的径向悬浮力和轴向悬浮力之比为5:3；当锥角θ为45°时，第一锥形磁轴承282和第二锥形磁轴承301的径向悬浮力和轴向悬浮力之比为1:1，当第一磁轴承锥形控制线圈7和第一径向控制线圈15通入相同的三相电流，第一径向-轴向磁轴承28的径向悬浮力和轴向悬浮力之比为3:1，电主轴的径向悬浮力和轴向悬浮力之比为3:1；当锥角θ为60°时，第一锥形磁轴承282和第二锥形磁轴承301的最大径向悬浮力和轴向悬浮力之比为3:1，当第一磁轴承锥形控制线圈7和第一径向控制线圈15通入相同的三相电流，第一径向-轴向磁轴承28的径向悬浮力和轴向悬浮力之比为7:1，所以在设计磁轴承时，只要改变锥角θ的大小，即可改变电主轴的径向悬浮力和轴向悬浮力之比，相较于轴向承载力而言，径向承载力是大大提高了，故本发明适用于需要大径向承载力的电主轴。
左、右端径向位移传感器探头42、41和轴向位移传感器探头27均采用电涡流传感器；转轴1、第一锥形转子6、第一锥形定子8、第一径向转子13、第一径向定子14、第二径向定子19、第二径向转子21、第二锥形定子22、第二锥形转子24均采用硅钢片叠压而成；第一锥形磁轴承控制线圈7、第一径向控制线圈15、第二径向控制线圈18、第二锥形磁轴承控制线圈23均采用标称直径为0.67mm的带绝缘漆铜线；第一径向-轴向辅助轴承3和第二径向-轴向辅助轴承26均采用调心滚珠轴承。
本发明工作时：第一锥形磁轴承控制线圈7、第一径向控制线圈15、第二径向控制线圈18和第一锥形磁轴承控制线圈23均采用三相逆变器驱动。第一径向-轴向磁轴承28依靠第一环形永磁体12提供偏置磁通，第一锥形磁轴承控制线圈7、第一径向控制线圈15提供控制磁通。第二径向-轴向磁轴承30依靠第二环形永磁体20提供偏置磁通，第二径向控制线圈18、第二锥形磁轴承控制线圈23提供控制磁通。本发明高速电主轴系统的轴向悬浮力是由第一锥形磁轴承282和第二锥形磁轴承301产生，径向悬浮力由第一径向磁轴承281、第一锥形磁轴承282、第二锥形磁轴承301和第二径向磁轴承302产生。
如图3所示，第一环形永磁体12给第一径向-轴向磁轴承28提供静态偏置磁通31，静态偏置磁通31的磁路为：磁通从第一环形永磁体12的N极出发，通过第一锥形定子8、第一锥形定子8与第一锥形转子6之间的气隙、第一锥形转子6、第一径向转子13、第一径向转子13与第一径向定子14之间的气隙、第一径向定子14，最后回到第一环形永磁体12的S极。
如图4所示，第一径向控制线圈15给第一径向磁轴承281提供控制磁通32，控制磁通32的磁路为：第一径向定子14、第一径向定子14与第一径向转子13之间的气隙、第一径向转子13、第一径向转子13与第一径向定子14之间的气隙、第一径向定子14。
如图5所示，第一锥形磁轴承控制线圈7给第一锥形磁轴承282提供控制磁通33，控制磁通33的磁路为：第一锥形定子8、第一锥形定子8与第一锥形转子6之间的气隙、第一锥形转子6、第一锥形转子6与第一锥形定子8之间的气隙、第一锥形定子8。
静态偏置磁通31与控制磁通32相互作用，在第一径向磁轴承281的第一径向转子13上产生径向两自由度悬浮力；静态偏置磁通31与控制磁通33相互作用，在第一锥形磁轴承282的第一锥形转子6上产生径向和轴向三自由度悬浮力。
如图6所示，第二环形永磁体20给第二径向-轴向磁轴承30提供静态偏置磁通34，静态偏置磁通34的磁路为：磁通从第二环形永磁体20的N极出发，通过第二锥形定子22、第二锥形定子22与第二锥形转子24之间的气隙、第二锥形转子24、第二径向转子21、第二径向转子21与第二径向定子19之间的气隙、第二径向定子19，最后回到第二环形永磁体20的S极。
如图7所示，第二锥形磁轴承控制线圈18给第二锥形磁轴承301提供控制磁通35，控制磁通35的磁路为：第二锥形定子22、第二锥形定子22与第二锥形转子24之间的气隙、第二锥形转子24、第二锥形转子24与第二锥形定子22之间的气隙、第二锥形定子22。
如图8所示，第二径向控制线圈23给第二径向磁轴承302提供控制磁通36，控制磁通36的磁路为：第二径向定子19、第二径向定子19与第二径向转子21之间的气隙、第二径向转子21、第二径向转子21与第二径向定子19之间的气隙、第二径向定子19。
静态偏置磁通34与控制磁通35相互作用，在第二锥形磁轴承301的第二锥形转子24上产生径向和轴向三自由度悬浮力；静态偏置磁通34与控制磁通36相互作用，在第二径向磁轴承302的第二径向转子21上产生径向两自由度悬浮力。
当转轴1发生偏移时，通过调节第一锥形磁轴承控制线圈7、第一径向控制线圈15、第二径向控制线圈18、第二锥形磁轴承控制线圈23的控制电流大小和方向就可实现转轴1的悬浮运行。

Claims (9)

1.一种不同磁极面的双片径向六极混合磁轴承支承的电主轴系统，包括一根转轴(1)，高速主轴电机转子(17)同轴心地套在转轴(1)的轴向中间位置，带动转轴(1)旋转，其特征是：高速主轴电机(29)的轴向左右两侧各是一个结构相同、相对于高速主轴电机(29)中心点对称的径向-轴向磁轴承，轴向右侧的第一径向-轴向磁轴承(28)由沿轴向依次布置的第一径向磁轴承(281)、第一环形永磁体(12)和第一锥形磁轴承(282)组成，第一径向磁轴承(281)靠近高速主轴电机(29)，第一锥形磁轴承(282)远离高速主轴电机(29)，第一环形永磁体(12)沿轴向充磁，固定嵌在第一径向磁轴承(281)和第一锥形磁轴承(282)之间且三者的外径相同，所述的第一径向磁轴承(281)由第一径向定子(14)、第一径向转子(13)和第一径向控制线圈(15)组成，第一径向定子(14)同轴套在第一径向转子(13)外部且二者之间存在径向气隙；所述的第一径向定子(14)由一个第一环形径向定子轭(141)以及六个沿第一环形径向定子轭(141)内壁圆周均匀布置的呈凸型的第一径向定子磁极(142)组成，第一径向定子磁极(142)内壁表面为圆柱面，每个第一径向定子磁极(142)上都缠绕方向相同的第一径向控制线圈(15)，相对磁极的第一径向控制线圈(15)串联成一相且三相星形连接，第一径向转子(13)为圆筒状，同轴心地紧密固定套在转轴(1)外；所述的第一锥形磁轴承(282)由第一锥形定子(8)、第一锥形转子(6)和第一锥形磁轴承控制线圈(7)组成，第一锥形定子(8)同轴心地套在第一锥形转子(6)外部，且二者之间存在气隙，第一锥形转子(6)同轴心地紧密固定套在转轴(1)外，第一锥形定子(8)由一个第一环形定子轭(81)以及六个沿第一环形定子轭(81)圆周方向均匀地呈凸型分布的第一锥形定子磁极(82)组成，每个第一锥形定子磁极(82)上都绕方向相同的第一锥形磁轴承控制线圈(7)，相对磁极的第一锥形磁轴承控制线圈(7)串联成一相且三相星形连接；第一锥形定子磁极(82)的内表面是锥角为θ的锥形，第一锥形转子(6)的锥形外表面是与第一锥形定子磁极(82)的锥形内表面结构一致的锥形，二者之间存在锥形的气隙；第一锥形定子磁极(82)的锥形内表面和第一锥形转子(6)的锥形外表面的大端靠近第一径向磁轴承(281)、小端朝向与大端相反；所述的第一锥形转子(6)和第一径向转子(13)沿轴向固定串接在一起；轴向左侧的第二径向-轴向磁轴承(30)是由沿轴向依次布置的第二锥形磁轴承(301)、第二环形永磁体(20)和第二径向磁轴承(302)组成，第二锥形磁轴承(301)和结构和第一锥形磁轴承(282)完全相同但两者沿高速主轴电机(29)的中心对称布置，第二环形永磁体(20)和第一环形永磁体(12)的结构完全相同但两者沿高速主轴电机(29)的中心对称布置，第二径向磁轴承(302)和第一径向磁轴承(281)的结构完全相同但两者沿高速主轴电机(29)的中心对称布置。
2.根据权利要求1所述的不同磁极面的双片径向六极混合磁轴承支承的电主轴系统，其特征是：所述的锥角θ是由磁轴承设计要求的径向承载力Fr和轴向承载力Fz比值决定：
Figure FDA0002635564070000021
改变锥角θ的大小能改变径向悬浮力和轴向悬浮力之比。
3.根据权利要求2所述的不同磁极面的双片径向六极混合磁轴承支承的电主轴系统，其特征是：当锥角θ为30°时，第一锥形磁轴承(282)和第二锥形磁轴承(301)的最大径向悬浮力和轴向悬浮力之比为1:3，当第一磁轴承锥形控制线圈(7)和第一径向控制线圈(15)通入相同的三相电流时，第一径向-轴向磁轴承(28)的径向悬浮力和轴向悬浮力之比为5:3，电主轴的径向悬浮力和轴向悬浮力之比为5:3；当锥角θ为45°时，第一锥形磁轴承(282)和第二锥形磁轴承(301)的径向悬浮力和轴向悬浮力之比为1:1，当第一磁轴承锥形控制线圈(7)和第一径向控制线圈(15)通入相同的三相电流，第一径向-轴向磁轴承(28)的径向悬浮力和轴向悬浮力之比为3:1，电主轴的径向悬浮力和轴向悬浮力之比为3:1；当锥角θ为60°时，第一锥形磁轴承(282)和第二锥形磁轴承(301)的最大径向悬浮力和轴向悬浮力之比为3:1，当第一磁轴承锥形控制线圈(7)和第一径向控制线圈(15)通入相同的三相电流，第一径向-轴向磁轴承(28)的径向悬浮力和轴向悬浮力之比为7:1。
4.根据权利要求1所述的不同磁极面的双片径向六极混合磁轴承支承的电主轴系统，其特征是：第一环形定子轭(81)和第一环形径向定子轭(141)的内、外径对应地相等，分别等于第一环形永磁体(12)的内、外径。
5.根据权利要求1所述的不同磁极面的双片径向六极混合磁轴承支承的电主轴系统，其特征是：第一锥形转子(6)的小端的外径大于第一径向转子(13)的外径。
6.根据权利要求1所述的不同磁极面的双片径向六极混合磁轴承支承的电主轴系统，其特征是：第一锥形转子(6)和第一锥形定子磁极(82)的轴向厚度相等，第一锥形转子(6)的左右两端面分别与第一锥形定子磁极(82)的左右两端面平齐，第一径向转子(13)的左端面与第一径向定子磁极(142)的左端面对齐。
7.根据权利要求1所述的不同磁极面的双片径向六极混合磁轴承支承的电主轴系统，其特征是：高速主轴电机(29)、第一径向-轴向磁轴承(28)和第二径向-轴向磁轴承(30)的外部同轴心地包裹一个由钢筒外套(10)和钢筒内套(11)构成的钢筒，钢筒外套(10)和钢筒内套(11)之间具有用于水冷散热的螺旋沟道。
8.根据权利要求7所述的不同磁极面的双片径向六极混合磁轴承支承的电主轴系统，其特征是：钢筒外套(10)和钢筒内套(11)的左右端面上各固定连接左端盖(25)和右端盖(2)，右端盖(2)上固定连接第一径向-轴向辅助轴承(3)，左端盖(25)上固定连接第二径向-轴向辅助轴承(26)，转轴(1)同轴穿过第一径向-轴向辅助轴承(3)和第二径向-轴向辅助轴承(26)。
9.根据权利要求8所述的不同磁极面的双片径向六极混合磁轴承支承的电主轴系统，其特征是：右端盖(2)和第一径向-轴向磁轴承(28)之间依次连接右端传感器支架(51)和第一限位套筒(91)，右端传感器支架(51)上固定设有沿圆周均匀分布的4个径向位移传感器探头；高速主轴电机(29)的左、右轴向两端面分别装有第二个限位套筒(92)、第三个限位套筒(93)；左端盖(25)与第二径向-轴向辅助轴承(26)之间依次连接左端传感器支架(52)和第四限位套筒(94)，左端传感器支架(52)上沿圆周均匀分布4个径向位移传感器探头，左端盖(25)的中心位置上装有轴向位移传感器探头(27)。
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