CN114042946B - 一种超高速空气静压电主轴的芯轴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电主轴技术领域，具体地说，涉及一种超高速空气静压电主轴的芯轴，其包括芯轴，芯轴内自左向右依次设有L1段、L2段和L3段，L1段处设有第一轴向同心孔，L2段处设有圆柱磁钢，L3段设有轴向限位套筒，轴向限位套筒内设有第二轴向同心孔。本发明设计了圆结构磁钢+一体式护套与转轴的转子结构，减少转子承载离心力的同时增大磁钢抗拉能力。

Description

一种超高速空气静压电主轴的芯轴

技术领域

本发明涉及电主轴技术领域，具体地说，涉及一种超高速空气静压电主轴的芯轴。

背景技术

目前国内生产的空气静压电主轴最高转速能够达到300000rpm以上，超高速电机在高速下运行时，转子承受极大的离心力，转子的强度需要在材料的应力许用范围内，并且需要保证转子动力学性能良好。超高速感应电机具有结构简单、价格较低、无需位置传感器、转子强度高等特点，在超高速电机的设计中应用较多，但是感应电机的功率密度较低、导致它的尺寸较大，限制了它在一些尺寸有限制的场合的运用。超高速永磁电机具有高功率密度、高效率、控制策略成熟等优势，在超高速电机的设计中备受关注，超高速永磁电机一般都是采用表贴式永磁转子结构，永磁体贴在导磁转轴上，为了抵消高速旋转的离心力对永磁体的破坏，通常在其表面外加一个护套。但是表贴式永磁转子结构+护套的方式只是适合转子线速度在300m/s的场合，如果转子线速度要大于300m/s，受制于表贴式永磁的这种磁钢结构，此时转子强度就无法得到保证，限制了永磁电机在超高速场合的进一步拓展。

发明内容

本发明的内容是提供一种超高速空气静压电主轴的芯轴，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。

根据本发明的一种超高速空气静压电主轴的芯轴，其包括芯轴，芯轴内自左向右依次设有L1段、L2段和L3段，L1段处设有第一轴向同心孔，L2段处设有圆柱磁钢，L3段设有轴向限位套筒，轴向限位套筒内设有第二轴向同心孔。

作为优选，圆柱磁钢通过热套方式安装于L2段处并通过轴向限位套筒固定圆柱磁钢轴向的安装位置，轴向限位套筒通过热套的方式安装固定在L3段。

作为优选，芯轴左端设有止推盘和刀柄。

作为优选，芯轴、轴向限位套筒、止推盘材料均为钛合金非导磁材料。

作为优选，圆柱磁钢的磁极对数P等于1，即P＝1；圆柱磁钢的材料是铁氧体、钕铁硼、衫钴中的一种。

作为优选，圆柱磁钢的轴向长度l₂和外径R_{2_2}的关系如下式：

式中：P为电主轴输出功率，l₂为圆柱磁钢的轴向长度、n为电主轴转速、R_{2_2}为圆柱磁钢外径、α_p为计算极弧系数、K_dp为绕组系数、K_NM为气隙磁场波形系数、A为线负荷、B为气隙磁密；

圆柱磁钢的质量计算公式为：

G_pm＝π(R_{2_2})²l₂ρ_pm；

式中：G_pm为圆柱磁钢的质量，ρ_pm为圆柱磁钢的密度。

作为优选，芯轴L1段、L2段和L3段处的质量相等。

作为优选，第一轴向同心孔的孔径0≤2*R_{1_1}＜2*R_{2_2}；第一轴向同心孔孔径R_{1_1}和第一轴向同心孔长度l₁关系如下式：

G_pm＝[π(R_{2_2})²-π(R_{1_1})²]l₁ρ；

式中：ρ为芯轴的密度、R_{1_1}为第一轴向同心孔的孔径、l₁为第一轴向同心孔的长度。

作为优选，第二轴向同心孔的孔径0≤2*R_{3_1}＜2*R_{2_2}；第二轴向同心孔孔径R_{3_1}和第二轴向同心孔长度l₃关系如下式：

G_pm＝[π(R_{2_2})²-π(R_{3_1})²]l₃ρ；

式中：ρ为芯轴的密度、R_{3_1}为第二轴向同心孔的孔径、l₃为第二轴向同心孔的长度。

本发明提供一种超高速空气静压电主轴的芯轴-磁钢一体化转子，合理利用永磁体材料的抗压-不抗拉的力学属性，设计了圆结构磁钢+一体式护套与转轴的转子结构，减少转子承载离心力的同时增大磁钢抗拉能力，突破传统超高速永磁电机结构转子线速度小于300m/s的限制。

附图说明

图1为实施例1中一种超高速空气静压电主轴的芯轴的结构示意图；

图2为实施例1中圆柱磁钢的结构示意图；

图3为实施例1中第一轴向同心孔的结构示意图；

图4为实施例1中第二轴向同心孔的结构示意图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。

实施例1

如图1、图2、图3和图4所示，本实施例提供了一种超高速空气静压电主轴的芯轴，其包括芯轴2，芯轴2内自左向右依次设有L1段、L2段和L3段，为了使得芯轴2具有较好的转子动力学性能，整个芯轴2绕轴线对称旋转、转轴质量整体分布均匀；L1段处设有第一轴向同心孔21，第一轴向同心孔21的开孔孔径大小用于调整L1段的质量分布，同时L1段开孔后形成的凸台可以用于固定圆柱磁钢3左L1侧的轴向位移；L2段处设有圆柱磁钢3，圆柱磁钢3与芯轴2一体式的结构可以增强整个电主轴的转动部件的强度；L3段设有轴向限位套筒4，用于固定圆柱磁钢3在L3侧的轴向位移，同时轴向限位套筒4内设有第二轴向同心孔41，第二轴向同心孔41的开孔孔径大小用于调整L3段的质量分布，使得L1段和L2段的质量和L3段的质量分布应该尽量相等。

圆柱磁钢3通过热套方式安装于L2段处并通过轴向限位套筒4固定圆柱磁钢3轴向的安装位置，轴向限位套筒4通过热套的方式安装固定在L3段。

芯轴2左端设有止推盘5和刀柄1。

为了减少圆柱磁钢3的漏磁，芯轴2、轴向限位套筒4、止推盘5材料均为钛合金非导磁材料。为了保证轴向限位套筒4的材料必须跟芯轴2的具有相同的膨胀量，设置轴向限位套筒4的材料和芯轴2一样。

圆柱磁钢3的磁极对数P等于1，即P＝1；圆柱磁钢3的材料是铁氧体、钕铁硼、衫钴(永磁体材料)中的一种。圆柱磁钢3为圆柱实心磁钢，圆柱实心磁钢减少了磁钢外径、减少了磁钢所受的离心力；又由于是圆柱实心磁钢结构，该结构的抗拉能力大大增强。圆柱实心磁钢结构导致磁钢充磁的时候只能是做成一对极的形式，所以圆柱磁钢3的磁极对数P只能等于1。

圆柱磁钢3的轴向长度l₂和外径R_{2_2}的关系如下式：

式中：P为电主轴输出功率，l₂为圆柱磁钢3的轴向长度、n为电主轴转速、R_{2_2}为圆柱磁钢3外径、α_p为计算极弧系数、K_dp为绕组系数、K_NM为气隙磁场波形系数、A为线负荷、B为气隙磁密；

圆柱磁钢3的质量计算公式为：

G_Pm＝π(R_{2_2})²l₂ρ_pm；

式中：G_pm为圆柱磁钢3的质量，ρ_pm为圆柱磁钢3的密度。

为了芯轴-转子一体化结构具有较好的动力学性能，芯轴2L1段、L2段和L3段处的质量相等。这样分布一致，在转子高速旋转过程中的一阶模态频率就会高、对应的转子转速就能实现很高的转速、就有助于统超高速永磁电机结构转子线速度小于300m/s的限制。

第一轴向同心孔21的孔径0≤2*R_{1_1}＜2*R_{2_2}；第一轴向同心孔21孔径R_{1 1}和第一轴向同心孔21长度l1_关系如下式：

G_pm＝[π(R_{2_2})²-π(R_{1_1})²]l₁ρ；

式中：ρ为芯轴2的密度、R_{1 1}为第一轴向同心孔21的孔径、l₁为第一轴向同心孔21的长度。

第二轴向同心孔41的孔径0≤2*R_{3_1}＜2*R_{2_2}；第二轴向同心孔41孔径R_{3_1}和第二轴向同心孔41长度l₃关系如下式：

G_pm＝[π(R_{2_2})²-π(R_{3_1})²]l₃ρ；

式中：ρ为芯轴2的密度、R_{3_1}为第二轴向同心孔41的孔径、l₃为第二轴向同心孔41的长度。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种超高速空气静压电主轴的芯轴，其特征在于：包括芯轴(2)，芯轴(2)内自左向右依次设有L1段、L2段和L3段，L1段处设有第一轴向同心孔(21)，L2段处设有圆柱磁钢(3)，L3段设有轴向限位套筒(4)，轴向限位套筒(4)内设有第二轴向同心孔(41)；

圆柱磁钢(3)的轴向长度l₂和外径R_{2_2}的关系如下式：

式中:P为电主轴输出功率，l₂为圆柱磁钢(3)的轴向长度、n为电主轴转速、R_{2_2}为圆柱磁钢(3)外径、α_p为计算极弧系数、K_dp为绕组系数、K_NM为气隙磁场波形系数、A为线负荷、B为气隙磁密；

圆柱磁钢(3)的质量计算公式为：

G_pm＝π(R_{2_2})²l₂ρ_pm；

式中:G_pm为圆柱磁钢(3)的质量，ρ_pm为圆柱磁钢(3)的密度；

第一轴向同心孔(21)的孔径0＜2*R_{1_1}＜2*R_{2_2}；第一轴向同心孔(21)孔径R_{1_1}和第一轴向同心孔(21)长度l₁关系如下式：

G_pm＝[π(R_{2_2})²-π(R_{1_1})²]l₁ρ；

式中：ρ为芯轴(2)的密度、R_{1_1}为第一轴向同心孔(21)的孔径、l₁为第一轴向同心孔(21)的长度；

第二轴向同心孔(41)的孔径0＜2*R_{3_1}＜2*R_{2_2}；第二轴向同心孔(41)孔径R_{3_1}和第二轴向同心孔(41)长度l₃关系如下式：

G_pm＝[π(R_{2_2})²-π(R_{3_1})²]l₃ρ；

式中：ρ为芯轴(2)的密度、R_{3_1}为第二轴向同心孔(41)的孔径、l₃为第二轴向同心孔(41)的长度。

2.根据权利要求1所述的一种超高速空气静压电主轴的芯轴，其特征在于：圆柱磁钢(3)通过热套方式安装于L2段处并通过轴向限位套筒(4)固定圆柱磁钢(3)轴向的安装位置，轴向限位套筒(4)通过热套的方式安装固定在L3段。

3.根据权利要求2所述的一种超高速空气静压电主轴的芯轴，其特征在于：芯轴(2)左端设有止推盘(5)和刀柄(1)。

4.根据权利要求3所述的一种超高速空气静压电主轴的芯轴，其特征在于：芯轴(2)、轴向限位套筒(4)、止推盘(5)材料均为钛合金非导磁材料。

5.根据权利要求4所述的一种超高速空气静压电主轴的芯轴，其特征在于：圆柱磁钢(3)的磁极对数P等于1，即P＝1；圆柱磁钢(3)的材料是铁氧体、钕铁硼、衫钴中的一种。

6.根据权利要求5所述的一种超高速空气静压电主轴的芯轴，其特征在于：芯轴(2)L1段、L2段和L3段处的质量相等。

Images