CN202438695U - 多功能永磁同步型电主轴 - Google Patents

多功能永磁同步型电主轴 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种多功能永磁同步型电主轴，包括与机床主轴为一体结构的永磁同步型电动机的转子及永磁体，和设置在机床壳体内的永磁同步型电动机的定子，从定子每相绕组的中点均引出一个抽头，各抽头分别与一电控器电连接，环绕转子前端部还均布有至少三个位移传感器，各位移传感器分别与电控器电连接：各位移传感器将转子或者刀具的径向振动位移量传递给电控器；电控器根据径向振动位移量，控制通入各抽头电流的大小和方向，以在转子上产生可控的径向控制力，以控制转子的振动以及加工过程中造成的刀具的振动。本实用新型在不改动传统电主轴基本结构的前提下，能够经济、方便地实现对电主轴或者是加工过程中造成的刀具的振动进行控制。

Description

多功能永磁同步型电主轴
技术领域
本实用新型涉及高速机床的电主轴，尤其是一种多功能永磁同步型电主轴。
背景技术
高速加工技术是21世纪最具发展前途的先进制造技术之一。高速加工不仅能够大幅度地提高零件的加工效率，降低加工时间和成本，而且还可以提高零件的加工精度和表面质量。高速数控机床是实现高速加工的前提条件，它不仅是装备制造业的基础和战略性产业，而且其技术水平的高低和拥有量的多少也是衡量一个国家制造业水平高低的标志。电主轴是高速机床的核心部件，其性能好坏很大程度上决定了整台机床的加工精度和质量。
电主轴是将驱动电动机集成到机床主轴上，使驱动电动机与机床主轴的功能融为一体。一般是将带有冷却套的电动机定子装配在主轴单元的壳体内，电动机转子和机床主轴的旋转部件做成一体，端部安装加工刀具。与传统分离式的机床主轴相比，电主轴由于省去了中间变速和传动装置直接驱动刀具工作，具有结构紧凑、效率高、响应快、重量轻、惯性小、噪声低、精度高、易实现无级调速，另外采用闭环控制不仅可以满足低速大转矩的要求而且具有易于实现高速化、动态性能和稳定性更好等特点。目前，市场上的高速电主轴主要以感应电动机为主，但由于永磁同步型电动机具有体积小、重量轻、损耗小、功率因数高等优点，从而使永磁型同步电动机在高速电主轴方面得到了广泛应用。
然而，由于电主轴上各部件的质量不平衡所产生的机械激振力、高速加工过程中所引起的颤振、以及电主轴永磁同步型电动机气隙中的磁场所产生的电磁激振力，从而引起电主轴的振动。电主轴上各部件的质量不平衡是由于电动机转子结构不对称、材料不均匀、加工工艺以及加工刀具等原因引起，使电主轴转子的重心与电动机的几何中心不重合，电主轴在旋转时产生的不平衡激励力，从而引起转子中心惯性轴线与回转轴线不重合，产生振动。任何电主轴都存在一定的质量不平衡，虽然通过对电主轴进行动平衡，可以减小转子的不平衡水平，但是无法完全消除。电主轴永磁同步型电动机气隙磁场产生的电磁激振力是由永磁同步型电动机气隙中非对称的磁场所产生。永磁同步型电动机气隙中非对称的磁场一方面是由电动机定子电流中的谐波分量引起，另一方面是由于电动机转子或定子结构的非对称引起。永磁同步型电动机气隙磁场所产生的电磁激励力对转子施加额外的磁激励，引起电主轴永磁同步型电动机转子的振动。
为了对电主轴及其在加工过程中所产生的振动进行控制，现有技术是在电主轴上添加动平衡装置或力执行器，动平衡装置及力执行器主要有喷液式、机械式、电磁式、电机驱动机械式、机械型阻尼器、电流变液动力吸振器、电磁型阻尼器、压电型执行器和内置力执行器等多种方式。虽然有些装置已经商品化，如瑞士的Fischer公司的具有在线自动平衡装置的电主轴、美国的Schmitt Industries公司的SBS系统、Kennametal Hertel公司的TABS系统、baladyne公司在线平衡系统和意大利Marposs公司E系列产品等，并在一些机床的电主轴上得到了成功的应用，但这些解决方案都需要直接安装在电主轴上，由于其本身的结构尺寸较大，价格昂贵，调整过程十分复杂，目前只是在大型磨床的低速主轴上使用。如果能够不改动传统电主轴的轴承及永磁同步型电动机定转子的基本结构，而在电主轴的本体结构上设计出一套能够按照要求产生一定控制力的装置，那么就能够经济、方便地实现对电主轴及其在加工过程中所产生的振动进行控制。  
实用新型内容
本实用新型的目的在于：提供一种多功能永磁同步型电主轴，在不改动传统电主轴基本结构的前提下，通过对电主轴永磁同步型电动机线圈的简单调整，便能够经济、方便地实现对电主轴或者是加工过程中造成的刀具的振动进行控制。
为实现上述目的，本实用新型可采取下述技术方案：
    本实用新型一种多功能永磁同步型电主轴，包括与机床主轴为一体结构的永磁同步型电动机的转子及永磁体，和设置在机床壳体内的永磁同步型电动机的定子，主轴前端部安装有加工刀具，从所述定子每相绕组的中点均引出一个抽头，各抽头分别与一电控器电连接，在机床壳体内环绕转子前端部还均布有至少三个位移传感器，各所述位移传感器分别与所述电控器电连接：各所述位移传感器用于检测转子或者刀具的径向振动位移量，并将该径向振动位移量传递给电控器；所述电控器根据径向振动位移量，控制通入各抽头电流的大小和方向，以在所述转子上产生可控的径向控制力，以控制所述转子的振动以及加工过程中造成的刀具的振动。
所述永磁同步型电动机为单相永磁同步型电动机，或二相永磁同步型电动机，或三相永磁同步型电动机，或多相永磁同步型电动机。
所述的电主轴是表面式、或内置式，或爪极式结构。
    所述的轴承是滚动轴承，或滑动轴承，或磁轴承。
与现有技术相比本实用新型的有益效果是：由于采用上述技术方案，从所述定子每相绕组的中点均引出一个抽头，各抽头分别与一电控器电连接，在机床壳体内环绕转子前端部还均布有至少三个位移传感器，各所述位移传感器分别与所述电控器电连接：各所述位移传感器用于检测转子或者刀具的径向振动位移量，并将该径向振动位移量传递给电控器；所述电控器根据径向振动位移量，控制通入各抽头电流的大小和方向，以在所述转子上产生可控的径向控制力，以控制所述转子的振动以及加工过程中造成的刀具的振动，这种结构，能够简单、经济、方便地实现对电主轴或者是加工过程中造成的刀具的振动进行控制。
附图说明
图1是本实用新型所述的转子上产生                                                方向径向控制力的原理图；
图2是本实用新型所述的转子上产生
Figure 940601DEST_PATH_IMAGE002
方向径向控制力的原理图；
图3是本实用新型所述的定子绕组接线图；
图4是本实用新型的定子绕组的分布结构示意图。
具体实施方式
如图1-4所示，本实用新型多功能永磁同步型电主轴，包括与机床主轴为一体结构的三相永磁同步型电动机的转子5，和设置在机床壳体内的永磁同步型电动机的定子6，转子前端部8安装有加工刀具，在机床壳体内环绕转子前端部8均布有三个位移传感器9，各所述位移传感器9分别与电控器7电连接，各所述位移传感器用于检测主轴或者刀具端的径向振动位移量，并将该径向振动位移量传递给电控器；所述电控器7根据径向振动位移量，控制通入各抽头电流的大小和方向，以在所述转子5上产生可控的径向控制力，以控制所述转子5（（电主轴））的振动；图3是本实用新型所述的定子绕组接线图，
Figure 703020DEST_PATH_IMAGE003
相绕组分为
Figure 946920DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 402172DEST_PATH_IMAGE005
两个匝数相等的两个子绕组，这两个子绕组串联连接，从子绕组和
Figure 681155DEST_PATH_IMAGE005
的中点引出一个抽头，该抽头与所述电控器电连接；
Figure 779561DEST_PATH_IMAGE006
和绕组也采取一样的结构，从子绕组
Figure 605882DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 710105DEST_PATH_IMAGE009
的中点引出一个抽头，该抽头与所述电控器电连接；从子绕组
Figure 866280DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 725651DEST_PATH_IMAGE011
的中点引出一个抽头，该抽头与所述电控器电连接。
本实用新型所述的转子上产生
Figure 334487DEST_PATH_IMAGE001
方向径向控制力的原理图如图1所示，为了方便叙述，将气隙划分成1、2、3、4四个区域，图2类似。为了说明问题，图中只给出了
Figure 315169DEST_PATH_IMAGE012
相绕组的电流情况，如果只往A相绕组中通入转矩电流（B、C相绕组的转矩电流分别为
Figure 356124DEST_PATH_IMAGE014
、），区域1、2、3和4内的气隙磁密相同，那么转子5（电主轴）受到的麦克斯韦合力为零。当从A相绕组的中点抽头往绕组中通入电流
Figure 711330DEST_PATH_IMAGE016
后（B、C相绕组的的中点抽头的通入电流分别为
Figure 842097DEST_PATH_IMAGE017
、），由于区域1内的磁链不变，而区域3内的磁链方向相反，这样在区域3内合成磁密就减少，这时电主轴径向方向上将受到
Figure 626699DEST_PATH_IMAGE001
方向上的麦克斯韦合力F的作用。本实用新型所述的转子5上产生-
Figure 876415DEST_PATH_IMAGE001
方向径向控制力的原理图如图2所示，当从A相绕组的中点抽头往绕组中通入反相电流后，由于区域3内的磁链不变；而区域1内的磁链方向相反，在区域1内合成磁密减少，这时电主轴径向方向上将受到方向上的麦克斯韦合力F的作用，如图2所示。
Figure 984496DEST_PATH_IMAGE019
方向的控制力产生原理与
Figure 117537DEST_PATH_IMAGE001
方向类似。这样只要控制通入各抽头电流的大小和方向，就能在转子5（电主轴）上产生可控径向力，来控制转子5（电主轴）或者加工过程中造成的刀具的振动。
作为优选，所述的电主轴是内置式。作为优选，所述位移传感器9为非接触式振动传感器，还设有与电控器7电连接的加速度传感器来测量电主轴振动加速度；还设有与电控器7电连接的电流和电压传感器来测量电主轴的电流及电压；通过高频变频器改变电主轴的转速；通过控制通入抽头中电流的大小和方向来实时地改变作用在转子5径向力的大小，从而达到控制电主轴及加工刀具处振动的目的。
在电主轴上其它位置处增设位移传感器9，就可以控制电主轴上其它位置处的振动。
图4给出了具体的定子绕组的分布结构示意图。每相绕组的两个子绕组串联连接。

Claims (4)

1.一种多功能永磁同步型电主轴，包括与机床主轴为一体结构的永磁同步型电动机的转子及永磁体，和设置在机床壳体内的永磁同步型电动机的定子，主轴前端部安装有加工刀具，其特征在于：从所述定子每相绕组的中点均引出一个抽头，各抽头分别与一电控器电连接，在机床壳体内环绕转子前端部还均布有至少三个位移传感器，各所述位移传感器分别与所述电控器电连接：
各所述位移传感器用于检测转子或者刀具的径向振动位移量，并将该径向振动位移量传递给电控器；
所述电控器根据径向振动位移量，控制通入各抽头电流的大小和方向，以在所述转子上产生可控的径向控制力，以控制所述转子的振动以及加工过程中造成的刀具的振动。
2.根据权利要求1所述的多功能永磁同步型电主轴，其特征在于：所述永磁同步型电动机为单相永磁同步型电动机，或二相永磁同步型电动机，或三相永磁同步型电动机，或多相永磁同步型电动机。
3.根据权利要求2所述的多功能永磁同步型电主轴，其特征在于：所述的电主轴是表面式、或内置式，或爪极式结构。
4.根据权利要求3所述的多功能永磁同步型电主轴，其特征在于：所述的轴承是滚动轴承，或滑动轴承，或磁轴承。
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