CN201167264Y - 永磁悬浮电主轴 - Google Patents

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赵志峰
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刘汝卫
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Abstract

本实用新型涉及一种永磁悬浮电主轴。它包括壳体、固定于壳体内腔的变频电机定子、处于变频电机定子中心的电机转子、与电机转子构成一体的转子主轴和支承转子主轴两端的径向轴承和推力轴承，所述的径向轴承为永磁轴承，推力轴承为推力球轴承。本电主轴具有高极限转速、极小的摩擦、较长的使用寿命和较大的工作范围且结构简单、成本低、无需润滑和无污染等优点。

Description

永磁悬浮电主轴
技术领域
本实用新型涉及一种永磁悬浮电主轴，特别是一种永磁悬浮轴承支承的变频电机机床主轴。
背景技术
随着科学技术的发展，机械制造业也得到了迅速发展，而且其发展趋势是向着高速和高精度的方向发展。高速高精度加工在当今的航空航天、汽车、摩托车和模具等机械加工领域的迅速发展，在某种程度上彻底改变了金属切削加工的状况，大大提高了金属切削效率和表面加工精度，在很多情况下实现了以铣代磨、以车代磨，如模具的硬铣削、硬车削作为最终精加工工序；同时也需要更高速和更高精度的驱动和旋转切削主轴。要实现更高速更高精度的金属切削，高速高精度变频电机机床主轴是整个切削系统中至关重要的一部分。用永磁悬浮轴承来支承电机转子，可以实现电机转子的高速高精度旋转，因此它能够满足金属切削的高速高精度的要求。
永磁悬浮轴承(Permanent Magnetic Bearing简称PMB)由两对轴向堆叠永磁环构成。与主动磁悬浮轴承相比，永磁悬浮轴承是无需主动电子控制系统的被动磁悬浮轴承，不仅节省了电力消耗，更重要的是还减少了可能失效的复杂控制部件，使系统更加可靠，使用寿命更长，适用于寿命超过数万小时的超低摩擦、超长寿命等工况条件。永磁悬浮轴承的发展是与机械设计学、材料学等学科的发展息息相关的，各国学者在各自的研究领域正在进行着广泛的研究。随着高性能永磁材料的发展，永磁悬浮轴承的力学特性得到了极大的提高，通过优化设计，其刚度值已经能够满足工业应用的要求，而将其应用到机床主轴中，可以实现无接触稳定悬浮，使变频电机转子的转速和旋转精度得到极大的提高，进而利用其对金属进行高速高精度加工。
目前，国内外已有的对变频电机机床主轴的轴承支承技术中，工业应用的变频电机机床主轴支承全部采用滚动轴承、滑动轴承、气悬浮轴承或主动磁悬浮轴承等，还没有采用被动永磁悬浮轴承支承的变频电机机床主轴。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对已有技术的不足之处，提供一种永磁悬浮电主轴，它具有高的极限转速、极小的摩擦、较长的寿命和较大的工作范围，并且具有结构简单、成本低、无需润滑、无污染等优点。
为达到上述目的，本实用新型采用下述技术方案：
一种永磁悬浮机床电主轴，包括壳体、固定于壳体内腔的变频电机定子、处于变频电机定子中心的电机转子、与电机转子构成一体的转子主轴和支承转子主轴两端的径向轴承和推力轴承，其特征在于所述的径向轴承为永磁轴承，所述的推力轴承为推力球轴承。
上述的永磁轴承的结构是：在转子主轴的两端分别固定1个可转动的永磁环组盘。转动永磁环组盘由内套圈与外套圈之间安装永磁环和隔离环构成，隔离环采用隔磁材料，半径不同的永磁环依次径向嵌套，永磁环被隔离环分离，在转动永磁环组盘两侧相对放置静止永磁环组盘，静止永磁环组盘固定在电机壳体上，静止永磁环组盘由保护套内安装永磁环和隔离环构成，半径不同的永磁环依次径向嵌套，永磁环被隔离环分离，永磁环固定在保护套上，保护套固定在壳体上；两个静止永磁环组盘之间用隔圈分离，使得转动永磁环组盘和其两侧的静止永磁环组盘之间有相同的间隙；静止永磁环组盘和转动永磁环组盘内永磁环都采用轴向磁化，相邻环的永磁环极性相反；静止永磁环组盘和转动永磁环组盘之间的永磁环极性相反，两者互相吸引。
上述的转子主轴的两端凸肩支撑在推力球轴承上，推力球轴承固定安装在两端端盖上，端盖固定在壳体上，转子主轴从一侧端盖伸出。
上述变频电机定子与壳体之间有水套接通外界冷却水管。
本实用新型与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出特点和显著优点：本实用新型中的变频电机主轴采用永磁轴承支承，省去了主动控制磁悬浮轴承的控制系统，减少了出现故障的可能性，对电机定子进行冷却，从而达到与现有技术相比较极大提高转速、减小摩擦、延长寿命和扩大工作范围的目的，并具有无需润滑、无污染等优点。
附图说明
图1是本实用新型一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
本实用新型的一个优选实施例是：参见图1，其示出的是本永磁悬浮电主轴的机械结构：本永磁悬浮电主轴包括壳体1、固定于壳体1内腔的变频电机定子12、处于变频电机定子12中心的电机转子13、与电机转子13构成一体的转子主轴5和支承转子主轴5两端的径向轴承和推力轴承，其特征在于所述的径向轴承为永磁轴承，所述的推力轴承为推力球轴承。
上述的永磁轴承的结构是：在转子主轴5的两端分别固定1个可转动的永磁环组盘。转动永磁环组盘由内套圈6与外套圈9之间安装永磁环7和隔离环8构成，隔离环8采用隔磁材料，半径不同的永磁环7依次径向嵌套，永磁环7被隔离环8分离，在转动永磁环组盘两侧相对放置静止永磁环组盘，静止永磁环组盘固定在电机壳体1上，静止永磁环组盘由保护套3内安装永磁环7和隔离环8构成，半径不同的永磁环7依次径向嵌套，永磁环7被隔离环8分离，永磁环7固定在保护套3上，保护套3固定在壳体1上；两个静止永磁环组盘之间用隔圈10分离，使得转动永磁环组盘和其两侧的静止永磁环组盘之间有相同的间隙；静止永磁环组盘和转动永磁环组盘内永磁环7都采用轴向磁化，相邻环的永磁环7极性相反；静止永磁环组盘和转动永磁环组盘之间的永磁环极性相反，两者互相吸引。
上述的转子主轴的两端凸肩撑在推力球轴承4上，推力球轴承固定安装在两端端盖2上，端盖2固定在壳体1上，转子主轴5从一侧端盖2伸出。
上述变频电机定子12与壳体1之间有水套11接通外界冷却水管。
两个静止永磁环组盘和一个可动永磁环组盘构成一个永磁轴承的基本结构。根据实际设计要求，在径向可由若干个永磁环组成永磁环组盘，在电机主轴的轴向可套装若干个永磁环组盘组成永磁轴承。因此，可以通过增加永磁环组盘中的磁环数目和主轴套装永磁环组盘数目两种手段来满足永磁轴承的承载设计要求。
由于永磁悬浮轴承具有传统轴承所无法比拟的许多优越性能，本实用新型与现有传统机械轴承支承的变频电机机床主轴相比具有如下优点：
(1)永磁悬浮轴承支承的机床电主轴转速比滚动轴承支承的机床电主轴转速大约高1~4倍，比滑动轴承支承的机床电主轴转速大约高2.5倍，实现了机床电主轴的高速化。
(2)维护成本低，寿命长。由于永磁悬浮轴承是靠磁场力来悬浮轴颈，相对运动表面之间没有接触，不存在摩擦、磨损和接触疲劳产生的寿命问题，所以永磁悬浮轴承支承的电机寿命和可靠性均远高于传统机械轴承支承的机床电主轴。
(3)永磁悬浮轴承支承的机床电机主轴中的永磁轴承不需润滑，对环境无污染。
(4)永磁悬浮轴承支承的电机主轴其动力学参数(如刚度、阻尼等)可以通过磁铁磁化参数进行调节，其回转精度可以达到微米级或更高，刚度可以根据实际要求来设计。因此永磁悬浮轴承支承的电机主轴的回转精度比传统机械轴承支承的电主轴高，实现了机床电主轴的高精度化。

Claims (4)

1.一种永磁悬浮电主轴，包括壳体(1)、固定于壳体(1)内腔的变频电机定子(12)、处于变频电机定子(12)中心的电机转子(13)、与电机转子(13)构成一体的转子主轴(5)和支承转子主轴(5)两端的径向轴承和推力轴承，其特征在于所述的径向轴承为永磁轴承，所述的推力轴承为推力球轴承。
2、根据权利要求1所述的永磁悬浮电主轴，其特征在于所述的永磁轴承的结构是：在转子主轴(5)的两端分别固定1个可转动的永磁环组盘。转动永磁环组盘由内套圈(6)与外套圈(9)之间安装永磁环(7)和隔离环(8)构成，隔离环(8)采用隔磁材料，半径不同的永磁环(7)依次径向嵌套，永磁环(7)被隔离环(8)分离，在转动永磁环组盘两侧相对放置静止永磁环组盘，静止永磁环组盘固定在电机壳体(1)上，静止永磁环组盘由保护套(3)内安装永磁环(7)和隔离环(8)构成，半径不同的永磁环(7)依次径向嵌套，永磁环(7)被隔离环(8)分离，永磁环(7)固定在保护套(3)上，保护套(3)固定在壳体(1)上；两个静止永磁环组盘之间用隔圈(10)分离，使得转动永磁环组盘和其两侧的静止永磁环组盘之间有相同的间隙；静止永磁环组盘和转动永磁环组盘内的永磁环(7)都采用轴向磁化，相邻环的永磁环(7)极性相反；静止永磁环组盘和转动永磁环组盘之间的永磁环极性相反，两者互相吸引。
3、根据权利要求2所述的永磁悬浮电主轴，其特征在于所述的转子主轴(5)的两端凸肩支撑在推力球轴承(4)上，推力球轴承固定安装在两端端盖(2)上，端盖(2)固定在壳体(1)上，转子主轴(5)从一侧端盖(2)伸出。
4、根据权利要求1、2、3所述的永磁悬浮电主轴，其特征在于所述的变频电机定子(12)与壳体(1)之间有水套(11)接通外界冷却水管。
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