CN1852005A - 超高速大功率磁悬浮主轴电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高速大功率磁悬浮主轴电机，它包括机壳、主轴、一台无轴承交替极永磁电机、一个三自由度永磁偏置混合磁轴承和两个辅助轴承，三自由度永磁偏置混合磁轴安装在无轴承交替极永磁电机与机壳之间的主轴上，其中一个辅助轴承安装在无轴承交替极永磁电机一侧端盖的中心位置，另一个辅助轴承安装在三自由度永磁偏置混合磁轴承一侧端盖的中心位置。本发明将电机与轴承、轴向与径向集成于一体，结构简单紧凑，具有高度集成性，进一步提高了轴向空间利用率，临界转速高，易于实现大功率超高速运转，设计难度低，使用寿命长，可靠性高，便于模块化和机械加工，可有效降低机械加工成本与功率电子器件成本，提高电主轴产品的竞争性。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种磁悬浮主轴电机，尤其涉及一种超高速大功率的磁悬浮主轴电机。
二、背景技术
上世纪90年代以来，高效高精密的超高速加工技术得到了迅速发展，在工业各部门特别是航空航天、汽车摩托车工业、模具加工、纺织和化工机械等领域获得了广泛应用。高速与超高速切削不但要求机床主轴转速高，而且要求传递的扭矩和功率也要大，并且在高速运转中还要保持良好的动态特性和热态特性。在超高速条件下，轴承是电主轴实现高速化和精密化的关键。目前氮化硅陶瓷轴承由于承载力和动静刚度不够，无法同时满足高转速和大承载力，且需配备专门的油气润滑和喷油润滑装置，只适用于一些准高速主轴，对超高速电主轴仍不理想。磁悬浮轴承由于利用电磁力将主轴无机械接触地悬浮起来，具有无机械接触、无摩擦与磨损、无需润滑与密封、能耗小，无机械噪声，可在真空或腐蚀介质的环境中工作等系列优点。但传统的主轴电机用磁轴承系统采用两个径向电磁轴承和一个轴向电磁轴承来控制主轴的五个自由度，占有相当的轴向空间，结构复杂，限制了高速主轴电机的微型化及其临界转速和输出功率的进一步提高。
三、发明内容
1、发明目的：本发明的目的是提供一种结构简单紧凑、功率密度大、承载力大、体积小、重量轻、可靠性高的新型超高速大功率磁悬浮主轴电机。
2、技术方案：为了达到上述的发明目的，本发明的超高速大功率磁悬浮主轴电机包括：机壳、主轴、一台无轴承交替极永磁电机、一个三自由度永磁偏置混合磁轴承和两个辅助轴承，三自由度永磁偏置混合磁轴承安装在无轴承交替极永磁电机与机壳之间的主轴上，其中一个辅助轴承安装在无轴承交替极永磁电机一侧的端盖的中心位置，另一个辅助轴承安装在三自由度永磁偏置混合磁轴承一侧的端盖的中心位置，其中，无轴承交替极永磁电机的定子槽中分别嵌绕一套用于控制电机转矩输出的三相转矩绕组和一套用于控制转子所受悬浮力的悬浮控制绕组，安装在转子上的永磁体沿径向方向均为同极性排列，永磁体之间的转子铁心被交替磁化成相同的另一极性。所述的辅助轴承在本电机系统不转或低速时用来支撑转子，以防止转子磨损发热而失去支撑功能，导致电机损坏。
三自由度永磁偏置混合磁轴承的径向定子齿极有径向悬浮磁轴承控制绕组和轴向悬浮磁轴承控制绕组，三自由度永磁偏置混合磁轴承的外部定子铁心套装在环形永磁体的外圆上，环形永磁体贴装在径向定子齿极的表面，环形永磁体所产生的径向偏置磁通依次经过径向定子齿极、径向气隙、转子铁心、轴向气隙和外部定子铁心构成回路。所述的环形永磁体一般采用钕铁硼永磁体，外部定子铁心和转子铁心所用材料为电工纯铁。
为了保证电机的可靠运行，防止系统过热，它还包括冷却系统，该系统包括入水孔、出水孔和环设于机壳上的冷却水槽，入水孔、出水孔分别位于机壳轴向的两侧。
为了对电机进行有效控制，它还包括传感器检测系统，该系统包括磁轴承轴向位移传感器、磁轴承径向位移传感器和无轴承电机径向位移传感器，磁轴承径向位移传感器位于其中一个辅助轴承的右侧并安装在位于端盖上的径向支架上，无轴承电机径向位移传感器位于另一个辅助轴承的左侧并安装在位于端盖上的径向支架上，磁轴承轴向位移传感器安装在位于端盖的轴向支架上。磁轴承轴向位移传感器用于检测三自由度永磁偏置混合磁轴承轴向的位移，磁轴承径向位移传感器用于检测三自由度永磁偏置混合磁轴承径向的位移，无轴承电机径向位移传感器用于检测无轴承电机的径向位移。
本发明的工作原理是将无轴承技术与磁轴承技术相结合，一方面利用无轴承交替极永磁电机悬浮控制绕组的作用，改变电机旋转磁场对称分布，在转子上产生大小和方向可控的径向悬浮力，实现电机主轴的两自由度悬浮，以取代传统电机主轴一端的轴承支撑系统，从而将电机与轴承集成起来；另一方面利用三自由度永磁偏置轴向/径向磁轴承实现另外三个自由度的磁悬浮，以取代主轴另一端的轴承支撑系统，从而将径向和轴向磁轴承集成起来，进一步缩小了主轴轴向长度，提高了临界转速，实现了主轴的五自由度全悬浮运行。本发明所使用的无轴承交替极永磁电机是在无轴承永磁同步电机的基础上产生的，无轴承永磁同步电机在充分发挥永磁电机高效率、长寿命、大功率和体积小等优势的基础上，结合了磁轴承技术的优点集成电机驱动与悬浮功能于一体，不占用额外的轴向空间，结构更加紧凑，其轴承刚度、空间利用率以及电磁效率等均有很大的提高。但是传统的无轴承永磁同步电机结构为表面贴装式或插入式，存在着控磁能力差，可控悬浮力小，永磁体易退磁及悬浮力与转矩控制相互耦合等问题，很大程度上制约了无轴承永磁同步电机的应用和发展，而无轴承交替极永磁电机克服了这些缺陷。
3、有益效果：本发明的超高速大功率磁悬浮主轴电机具有以下特点：①采用无轴承电机作为主轴驱动电机以及用三自由度永磁偏置轴向/径向混合磁轴承取代传统轴向/径向分离的磁轴承，将电机与轴承、轴向与径向集成于一体，结构简单紧凑，具有高度集成性，进一步提高了轴向空间利用率，临界转速高，易于实现大功率超高速运转；②采用的交替极永磁无轴承电机控磁容易，无普通无轴承永磁电机转矩与悬浮力折中的矛盾，悬浮电流小，承载能力和刚度成倍上升，电机散热便利功耗小；③固有的悬浮解耦特性，悬浮力与转矩控制之间相互独立，悬浮控制模型简单，大大降低了控制系统设计难度；④使用寿命长，可靠性高，便于模块化和机械加工，可有效降低机械加工成本与功率电子器件成本，提高电主轴产品的竞争性。本发明的新型超高速大功率磁悬浮主轴电机将无轴承技术和磁轴承技术各自的优点有机的结合起来，对我国航空航天、汽车摩托车工业、模具加工、纺织和化工机械等领域采用国内自行研发生产具有自身知识产权的高性价比电主轴与驱动系统装备新一代国产设备，替代各种进口设备中已废的电主轴，将有效遏制数控机床加工中心及其他设备的进口势头，是我国数控机床及其它高效设备迈向新台阶的关键举措之一，这将对我国高速机床加工技术的发展产生深远影响，具有重要意义。
四、附图说明
图1是超高速大功率磁悬浮主轴电机结构示意图；
图2是无轴承交替极永磁电机结构示意图；
图3是三自由度永磁偏置混合磁轴承结构示意图。
五、具体实施方式
如图1所示，本实施例的超高速大功率磁悬浮主轴电机包括机壳19、主轴3、一台无轴承交替极永磁电机22、一个三自由度永磁偏置混合磁轴承23和辅助轴承2、11，三自由度永磁偏置混合磁轴承23安装在无轴承交替极永磁电机22与机壳19之间的主轴3上，辅助轴承2安装在无轴承交替极永磁电机22一侧的端盖的中心位置，辅助轴承11安装在三自由度永磁偏置混合磁轴承23一侧的端盖的中心位置，其中，无轴承交替极永磁电机22的定子槽16中分别嵌绕一套用于控制电机转矩输出的三相转矩绕组15和一套用于控制转子17所受悬浮力的悬浮控制绕组14，安装在转子17上的永磁体21沿径向方向均为同极性排列，永磁体21之间的转子铁心被交替磁化成相同的另一极性，辅助轴承2和辅助轴承11与主轴3同心。
如图2所示，无轴承交替极永磁电机22的定子槽16中分别嵌绕一套用于控制电机转矩输出的三相转矩绕组15和一套用于控制转子17所受悬浮力的悬浮控制绕组14，安装在转子17上的永磁体21沿径向方向均为同极性排列，永磁体21之间的转子铁心被交替磁化成相同的另一极性。通过定子槽16中的转矩绕组15和悬浮绕组14所产生气隙磁场的相互作用实现电机主轴一端的两自由度悬浮。
如图3所示，三自由度永磁偏置混合磁轴承23的径向定子齿极6上绕有径向悬浮磁轴承控制绕组4和轴向悬浮磁轴承控制绕组5，三自由度永磁偏置混合磁轴承23的外部定子铁心8套装在环形永磁体7的外圆上，环形永磁体7贴装在径向定子齿极6的表面，环形永磁体7所产生的径向偏置磁通依次经过径向定子齿极6、径向气隙、转子铁心9、轴向气隙和外部定子铁心8构成回路。通过控制四个径向定子齿极6上绕有的磁轴承控制绕组4、5，可实现电机主轴轴向和径向方向上的另外三个自由度的主动磁悬浮，从而实现转子的五自由度全悬浮运行。其中，外部定子铁心8和转子铁心9所用材料为电工纯铁。
本实施例的电机冷却系统包括入水孔18、出水孔12和环设于机壳19上的冷却水槽13，入水孔18、出水孔12分别位于机壳19轴向的两侧。它还包括传感器检测系统，该系统包括磁轴承轴向位移传感器1、磁轴承径向位移传感器10和无轴承电机径向位移传感器20，磁轴承径向位移传感器10位于辅助轴承11的右侧并安装在位于端盖上的径向支架上，无轴承电机径向位移传感器20位于辅助轴承2的左侧并安装在位于端盖上的径向支架上，磁轴承轴向位移传感器1安装在位于端盖的轴向支架上。
所述的传感器采电涡流位移传感器，其探头型号RS-900500-02-015-20-00，前置器型号为RS-900500-20-03，也可以根据需要采用其它型号的传感器。
Claims (6)
1、一种超高速大功率磁悬浮主轴电机，其特征在于：它包括机壳(19)、主轴(3)、一台无轴承交替极永磁电机(22)、一个三自由度永磁偏置混合磁轴承(23)和辅助轴承(2、11)，三自由度永磁偏置混合磁轴承(23)安装在无轴承交替极永磁电机(22)与机壳(19)之间的主轴(3)上，辅助轴承(2)安装在无轴承交替极永磁电机(22)一侧的端盖的中心位置，辅助轴承(11)安装在三自由度永磁偏置混合磁轴承(23)一侧的端盖的中心位置，其中，无轴承交替极永磁电机(22)的定子槽(16)中分别嵌绕一套用于控制电机转矩输出的三相转矩绕组(15)和一套用于控制转子(17)所受悬浮力的悬浮控制绕组(14)，安装在转子(17)上的永磁体(21)沿径向方向均为同极性排列，永磁体(21)之间的转子铁心被交替磁化成相同的另一极性。
2、如权利要求1所述的超高速大功率磁悬浮主轴电机，其特征在于：三自由度永磁偏置混合磁轴承(23)包括径向悬浮磁轴承控制绕组(4)、轴向悬浮磁轴承控制绕组(5)、径向定子齿极(6)、环形永磁体(7)和外部定子铁心(8)，径向悬浮磁轴承控制绕组(4)和轴向悬浮磁轴承控制绕组(5)绕在径向定子齿极(6)上，外部定子铁心(8)套装在环形永磁体(7)的外圆上，环形永磁体(7)贴装在径向定子齿极(6)的表面，环形永磁体(7)所产生的径向偏置磁通依次经过径向定子齿极(6)、径向气隙、转子铁心(9)、轴向气隙和外部定子铁心(8)构成回路。
3、如权利要求2所述的超高速大功率磁悬浮主轴电机，其特征在于：外部定子铁心(8)和转子铁心(9)所用材料为电工纯铁。
4、如权利要求1或2所述的超高速大功率磁悬浮主轴电机，其特征在于：它还包括冷却系统，该系统包括入水孔(18)、出水孔(12)和环设于机壳(19)上的冷却水槽(13)，入水孔(18)、出水孔(12)分别位于机壳(19)轴向的两侧。
5、如权利要求1或2所述的超高速大功率磁悬浮主轴电机，其特征在于：它还包括传感器检测系统，该系统包括磁轴承轴向位移传感器(1)、磁轴承径向位移传感器(10)和无轴承电机径向位移传感器(20)，磁轴承径向位移传感器(10)位于辅助轴承(11)的右侧并安装在位于端盖上的径向支架上，无轴承电机径向位移传感器(20)位于辅助轴承(2)的左侧并安装在位于端盖上的径向支架上，磁轴承轴向位移传感器(1)安装在位于端盖的轴向支架上。
6、如权利要求4所述的超高速大功率磁悬浮主轴电机，其特征在于：所述的传感器为为电涡流位移传感器，其探头型号RS-900500-02-015-20-00，前置器型号为RS-900500-20-03。
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