CN217335344U - 一种同轴拼接的主轴电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种同轴拼接的主轴电机，其中，主轴电机包括机壳、冷却水套以及多组永磁电机，永磁电机包括转轴、转子以及定子，多组永磁电机安装在冷却水套内且相邻永磁电机的转轴之间串联连接；机壳与冷却水套之间和定子与冷却水套之间设有将永磁电机串联后多组定子的机械角保持一致的第四和第一定位结构；转轴与磁轭之间和磁轭与磁钢之间设有将永磁电机串联后多组转子的机械角保持一致的第二和第三定位结构。本实用新型公开的同轴拼接的主轴电机由于设有多组定位结构，使得多级永磁电机串联后，各级永磁电机的机械角能够保持一致，进而能够保证各级永磁电机的电气角一致，从而保证了永磁电机串联后的输出转矩，提高了串联后的输出效率。

Description

一种同轴拼接的主轴电机

技术领域

本实用新型涉及数控加工技术领域，尤其涉及一种同轴拼接的主轴电机。

背景技术

电主轴是将驱动电机内装，以实现电机和主轴功能一体化的动力部件，以结构紧凑、适用于高速切削加工为显著特点，其内装的驱动电机一般是由一台永磁电机承担，因此永磁电机对电主轴的功能、性能发挥有重要影响。

单台永磁电机一般只有一套定子和转子部件，根据公知技术“功率＝转速×扭矩÷常系数”和“电机有效体积与扭矩成正比”的约束关系，可知，在同等高转速条件下，只有提高扭矩才能获得高功率，但提高扭矩必将增加永磁电机有效体积，或者加粗、或者加长，而从电主轴的使用角度看，紧凑结构无法提供无限的体积增加，一般选择体积加长，即通常将永磁电机转轴设计成细长结构，然后在转轴上安装多组定子和转子部件。当转轴为单根整体细长轴时，因转轴长径比大，导致转轴结构刚性差、轴系支撑结构复杂、加工难度大，极易产生挠性变形；在永磁电机高速运转时，多组定子和转子的同步控制逻辑复杂，难以实现多组定子和转子在高转速同步下的扭矩倍增，即同时出现转速降速、扭矩输出有限、功率输出大幅降低的情形。因此，在空间尺寸一定的条件下，急需提出一种多组永磁电机同轴拼接的新型电机结构，并从机械结构刚性和电气结构刚性一体化同步提升的角度，解决“串联形式”的永磁电机多组定子和转子在高转速同步下的扭矩倍增，进而实现功率倍增。

实用新型内容

本实用新型公开了一种同轴拼接的主轴电机，解决了现有的串联电机无法解决的上述技术问题。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种同轴拼接的主轴电机，包括机壳、冷却水套以及多组永磁电机，所述永磁电机包括转轴、转子以及定子，所述转子设置在所述转轴上，所述转子包括磁轭和设置在所述磁轭上的磁钢，所述冷却水套固定安装在所述机壳内，所述定子固定安装在所述冷却水套内，多组所述永磁电机依次固定安装在所述冷却水套内且相邻两个所述永磁电机的转轴之间通过转轴连接结构串联在一起；位于所述主轴电机的一端的转轴伸出所述机壳形成主轴电机输出轴，位于所述主轴电机的另一端的转轴上设置编码器；

所述机壳与所述冷却水套之间和所述定子与所述冷却水套之间依次设有用于将多组所述永磁电机串联后多组所述定子的机械角保持一致的第四定位结构和第一定位结构；

所述转轴与所述磁轭之间和所述磁轭与所述磁钢之间依次设有用于将多组所述永磁电机串联后多组所述转子的机械角保持一致的第二定位结构和第三定位结构。

进一步地，所述第一定位结构和所述第二定位结构为键定位结构或销定位结构；

所述第三定位结构为设置在所述磁轭外径上与所述第二定位结构位于同一径向方向上的定位槽结构。

进一步地，所述机壳包括多个依次串联连接的子机壳，所述冷却水套包括多个依次固定安装在所述机壳内的子冷却水套；

所述第四定位结构设置在所述子机壳与所述子冷却水套之间。

进一步地，所述第四定位结构为设置在前一级子机壳与后一级子冷却水套之间的键定位结构或销定位结构。

进一步地，所述子冷却水套包括冷却水套本体和设置在所述冷却水套本体上用于安装轴承的轴承安装部，所述冷却水套本体的外径上设有冷却流道。

进一步地，所述转轴连接结构为花键结构，所述花键结构上设有与所述第二定位结构对应的第五定位结构。

进一步地，所述转轴连接结构为调节盘结构，所述调节盘结构上设有与所述第二定位结构对应的第六定位结构。

进一步地，所述第五定位结构和所述第六定位结构为定位销结构。

一种用于组装本实用新型所述的同轴拼接的主轴电机的方法，包括如下步骤：

S1：粘结磁钢，以磁轭上的第三定位结构为基准粘贴磁钢，使得第一片磁钢的中心线和第三定位结构中线对准，将磁钢依次粘接到磁轭上，以构成转子；

S2：通过第二定位结构将转子安装到转轴上，使得转子上磁钢中心线与转轴上的第二定位结构的中心线对齐；

通过第一定位结构将定子安装在冷却水套内，然后将装有定子的冷却水套通过第四定位结构安装在机壳内；

S3：将安装有转子的转轴安装在所述定子内，并通过转轴连接结构依次将各级永磁电机的转轴连接。

本实用新型公开的一种同轴拼接的主轴电机的有益效果：由于在机壳与定位水套、定子与定位水套、转轴与磁轭以及磁轭与磁钢之间均设有定位结构，使得多级永磁电机串联后，各级永磁电机的机械角能够保持一致，进而能够保证各级永磁电机的电气角一致，从而保证了永磁电机串联后的输出转矩，提高了串联后的输出效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型公开的同轴拼接的主轴电机的第一实施例的轴向剖视图；

图2为图1中的虚线框的放大图；

图3为永磁电机输出转矩减少百分比和电气角偏差值之间的关系曲线图；

图4为本实用新型公开的同轴拼接的主轴电机的第一实施例的径向剖视图；

图5为本实用新型公开的同轴拼接的主轴电机的定子结构图；

图6为本实用新型公开的同轴拼接的主轴电机的子冷却水套的结构图；

图7为本实用新型公开的同轴拼接的主轴电机的转轴连接的结构图，图中采用调节盘进行连接；

图8为调节盘的主视图；

图9为转轴连接结构为花键轴的示意图，图中为花键孔的示意图；

图10为花键轴的结构图；

图11为本实用新型公开的同轴拼接的主轴电机的第二实施例的轴向剖视图；

图12为本实用新型公开的同轴拼接的主轴电机的第二实施例的径向剖视图。

图中：1、机壳；10、子机壳；2、冷却水套；20、子冷却水套；21、子冷却水套本体；22、轴承安装部；23、冷却流道；24、进水口；25、出水口；3、永磁电机；30、转轴；31、转子；310、磁轭；311、磁钢；32、定子；320、定子铁芯；321、线圈U相；33、前端盖；34、后端盖；4、转轴连接结构；40、调节盘；401、调节盘上的定位孔；402、调节盘上的连接孔；41、花键孔；411、花键孔或花键轴上的定位孔；42、花键轴；5、编码器；60、第一定位结构；61、第二定位结构；62、第三定位结构；63、第四定位结构；64、第五定位结构；65、第六定位结构。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图1-12，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

如图1、图2所示为本实用新型公开的同轴拼接的主轴电机的第一种实施例，包括机壳1、冷却水套2以及多组永磁电机3，在本实施中，机壳1和冷却水套2均为分体结构，即机壳1包括多个依次串联连接的子机壳10，冷却水套2包括多个依次固定安装在机壳1内的子冷却水套20，在本实施例中，子冷却水套20设置在子机壳10内并通过螺栓固定，子冷却水套20两端与子机壳10之间设有密封圈以进行水密封，子冷却水套20的外径上加工有螺旋状的冷却流道23，子机壳10上设有与冷却流道23连通的进水口24和出水口25，进水口24和出水口25通过管路与冷却机连接；永磁电机3包括转轴30、转子31以及定子32，转子31设置在转轴30上，转子31包括磁轭310和设置在磁轭310上的磁钢311，子冷却水套20固定安装在子机壳10内，定子32固定安装在子冷却水套20内，多组永磁电机依次固定安装在冷却水套内且相邻两个永磁电机的转轴之间通过转轴连接结构4串联在一起；位于主轴电机的一端设有前端盖33，本实施例中，前端盖33与机壳通过螺栓固定连接，位于前端盖33一端的转轴伸出机壳形成主轴电机输出轴，位于主轴电机的另一端设有后端盖34，后端盖34与机壳通过螺栓固定连接，位于后端盖34一端的转轴上设置编码器5，通过在永磁电机上接入编码器5，通过控制器以及编码器更精准控制电机运转，并反馈永磁电机运转状态；

定子32与子冷却水套之间设有用于将多组永磁电机串联后多组定子的机械角保持一致的第一定位结构60。转轴30与磁轭310之间和磁轭310与磁钢311之间依次设有用于将多组永磁电机串联后多组转子的机械角保持一致的第二定位结构61和第三定位结构62；子机壳10与子冷却水套20之间设有用于将多组永磁电机串联后多组定子的机械角保持一致的第四定位结构63。

如图3所示为永磁电机的电气角偏差值与电机输出转矩减少百分比的关系曲线图；在单独使用的永磁电机中，机械角为转子每转一圈所对应的机械或几何角度；电气角是指转子每转一圈，定子和转子绕组中的感应电动势或感应电流变化的角度。当所谓的“一圈”用定子内表面圆周上的槽数Z来表示，磁极对数用p来表示，电气角用α来表示，电气角与机械角有如下关系：α＝p×(360/Z)。

从图3中可以看出，随着永磁电机的电气角偏差值越大，电机输出转矩就越小，以3级电机串联为例，如表1所示，在不考虑其它条件约束下，每一级永磁电机均与基准永磁电机的电气角偏差为5°时，设基准永磁电机输出转矩100％，则第二级永磁电机输出转矩损失8.7％，第三级永磁电机输出转矩损失8.7％，若第一级永磁电机、第二级永磁电机、第三级永磁电机串联使用，则整体输出转矩为282.6％(100％+(100％-8.7％)+(100％-8.7％))，远低于三级电机输出转矩之和300％。

表1永磁电机电气角偏差值与转矩输出关系

由于串联后的永磁电机的电气角与机械角存在以下对应关系：

(A0-B0)＝(A1-B1)/C

其中，A0为待串联的永磁电机的机械角度数；

B0为基准永磁电机的机械角度数；

A0-B0的值为串联后两个永磁电机的机械角差值；

A1为待串联的永磁电机的电气角度数；

B1为基准永磁电机的电气角度数；

A1-B1为串联后两个永磁电机的电气角差值；

C为永磁电机转子的磁钢的组数。

由以上可知永磁电机串联后电气角与机械角存在对应的关系。

本实用新型中由于设置了多个定位结构，使得多级永磁电机3串联后，多级永磁电机3的定子32和转子31的机械角能够保持一致，进而保证了多级永磁电机3串联后电气角也能够保持一致，进而提高了永磁电机3串联后的输出转矩。

进一步地，第一定位结构60和第二定位结构61为键定位结构或销定位结构；第三定位结构62为设置在磁轭310外径上与第二定位结构61位于同一径向方向上的定位槽结构；第四定位结构63为设置在前一级子机壳10与后一级子冷却水套20之间的键定位结构或销定位结构。

具体地，在本实施例中，如图4、图5所示，定子铁芯320的外径上位于线圈U相321中心线位置处加工有键槽或键结构，在子冷却水套20内设有与键槽或键结构对应的键或键槽，当定子32安装在子冷却水套20中时，键与键槽相配合以保证定子32在冷却水套2内的周向定位；

在子冷却水套20外壁上与子冷却水套20内设有的键或键槽对应的位置上也设有键或键槽结构(定位销或定位销孔)，子机壳10内设有与子冷却水套20外壁上的键或键槽对应的键槽或键(定位销孔或定位销)，当相邻两个永磁电机3连接时，前一级子机壳10与后一级子冷却水套20之间的键和键槽(定位销和定位销孔)相互配合，进而保证了前后两级永磁电机的线圈U相中心线处于同一直线上，以保证前后两级的永磁电机3内的定子32的机械角一致；

磁轭310的内径上加工有键或键槽结构(定位销或定位销孔)，转轴30上加工有与磁轭310内径上的键或键槽结构(定位销或定位销孔)对应的键槽或键(定位销孔或定位销)，转轴30的端部转轴连接结构4与转轴30上加工的键槽或键(定位销孔或定位销)位于同一周向分度方向上加工有定位结构，磁轭310的外径上与内径加工有键或键槽结构(定位销或定位销孔)对应的位置处加工有定位槽，在磁钢311黏贴在磁轭310上时，是以该定位槽中心线为基准开始周向粘结(即第一片磁钢311的中心线与该定位槽的中心线一致)，通过转轴30与磁轭310之间设置第二定位结构61和在磁轭310与磁钢311设置第三定位结构62，可以使得当相邻两级永磁电机3串联时，前后两级的永磁电机3的转子31的磁钢311沿轴向方向对齐，即保证了转子31的机械角一致，进而可以保证永磁电机3的电气角一致，提高了电机串联后的输出转矩。同时，由于本申请中，机壳1、冷却水套2均为分体结构，当其中一级或多级永磁电机3出现故障时，可以方便的将出现故障的永磁电机3与其它永磁电机3进行分离，以便于进行维修和更换，降低了维修和更换难度，提高了维修效率。同时，在其中某个或多个永磁电机3出现故障时，由于多个转轴30之间的连接，且其余永磁电机3处于正常工作状态，使得故障的永磁电机3的转子31可以在正常工作的永磁电机3作用下进行转动，进而保证整机的正常工作。

进一步地，如图6所示，子冷却水套20包括冷却水套本体21和设置在冷却水套本体21上用于安装轴承的轴承安装部22，冷却水套本体21的外径上设有螺旋状的冷却流道23。机壳1上设有与冷却流道23连通的进水口24和出水口25，进水口和出水口通过管路与冷却机连通，优选地，每个出水管(出水口与冷却机连接的管路)上还安装有截流阀(截流阀图中未示出)，实现对冷却水流量的控制，同时通过控制截流阀的开启数量，便于实现对不同数量的永磁电机3的分别冷却降温，当多个截流阀同时开启时，能够对多个永磁电机3进行同步降温，或者根据不同永磁电机3的工作状态控制冷却水流量，以便于智能的实现对永磁电机3的温度控制。

子冷却水套本体21上设有用于安装轴承的轴承安装部22，轴承安装部22上安装有轴承，转轴两端通过轴承安装在轴承安装部上，在轴承的作用下能够实现对转轴进行支撑，从而增大多个永磁电机3串联后转轴30的整体的刚度。

进一步地，每个永磁电机3与电驱动器连接，电驱动器(电驱动器图中未示出)可以为一个，也可以为多个，当电驱动器为多个时，每个永磁电机分别对应连接一个电驱动器，实现对多个永磁电机的分别控制，进而便于控制整机的转速和转矩；当电驱动器为单个时，多个永磁电机均与电驱动器采用电连接，通过同一个电驱动器驱动多个永磁电机，可以保证多个永磁电机电气同步，进而能够提高驱动精度，减少相邻永磁电机之间的误差，提高转动精度。

进一步地，如图7和图8所示，转轴连接结构4为调节盘结构，调节盘结构上设有与第二定位结构61对应的第六定位结构65。

具体地，转轴30两端均固定有调节盘40，调节盘40上加工有定位孔401和连接孔402，调节盘40上的定位孔401与转轴30上第二定位结构的位置对应，在本实施例中，调节盘40上的定位孔中心线与转轴30上键或键槽的中心线处于同一周向分度上，也就使得调节盘40上定位孔的中心线与转子的磁钢311(黏贴时第一片磁钢)的中心线一致，进而当前后两级永磁电机3连接时，前后两级永磁电机3转轴30相邻端的调节盘40通过定位孔中插入定位销进行定位，从而保证了前后两级永磁电机转子31的机械角一致，从而保证了前后两级电机的电气角一致，提高了串联后永磁电机3的性能，调节盘40通过定位销定位后，然后通过螺栓固定连接。

转轴连接结构4可以为调节盘40结构，如图9和图10所示，转轴30连接结构4也可以为花键结构，当采用花键结构时，花键结构上设有与第二定位结构61对应的第五定位结构64，具体地，转轴30一端加工有花键孔41，另一端加工有花键轴42，花键轴42与花键孔的端部均设有定位孔411，定位孔411的中心线的位置与转轴30上键或键槽的中心线处于同一周向分度上且与花键孔(花键轴)上的一个花键齿中心对齐，也就使得花键轴(孔)上定位孔的中心线与转子的磁钢311(黏贴时第一片磁钢)的中心线一致，当前后两级永磁电机3连接时，花键孔与花键轴之间通过定位销与定位孔进行定位，从而保证了前后两级永磁电机转子31的机械角一致，从而保证了前后两级电机的电气角一致，提高了串联后永磁电机的性能，调节盘40通过定位销定位后，然后通过螺栓固定连接。

实施例2

如11和图12所示为本实用新型公开的同轴拼接的主轴电机的第二种实施例，该实施例与实施例1的不同点在于，在实施例1中，机壳1和冷却水套2均为分体结构，在本实施例中，机壳1和冷却水套2为一体结构，冷却水套2安装在机壳1内，多个永磁电机3安装在冷却水套2内，图中仅显示了两级永磁电机3连接，永磁电机3包括转轴30、转子31以及定子32，转子31设置在转轴30上，转子31包括磁轭310和设置在磁轭310上的磁钢311，冷却水套2固定安装在机壳1内，定子32固定安装在冷却水套2内，多组永磁电机3依次固定安装在冷却水套2内且相邻两个永磁电机3的转轴30之间通过转轴30连接结构串联在一起；位于主轴电机的一端的转轴30伸出机壳1形成主轴电机输出轴，位于主轴电机的另一端的转轴上设置编码器5；

机壳1与冷却水套2之间和定子32与冷却水套2之间依次设有用于将多组永磁电机3串联后多组定子32的机械角保持一致的第四定位结构63和第一定位结构60；

转轴30与磁轭310之间和磁轭310与磁钢311之间依次设有用于将多组永磁电机串联后多组转子的机械角保持一致的第二定位结构61和第三定位结构62。

实施例3

一种用于组装本实用新型的同轴拼接的主轴电机的方法，包括如下步骤：

S1：粘结磁钢311，以磁轭310上的第三定位结构62为基准粘贴磁钢311，使得第一片磁钢311的中心线和第三定位结构62中线对准，将磁钢311依次粘接到磁轭310上，以构成转子31；

S2：通过第二定位结构61将转子31安装到转轴30上，使得转子31上磁钢311中心线与转轴30上的第二定位结构62的中心线对齐；

通过第一定位结构60将定子32安装在冷却水套2内，然后将装有定子32的冷却水套2通过第四定位结构63安装在机壳1内；

S3：将安装有转子31的转轴30安装在定子32内，并通过转轴30连接结构依次将各级永磁电机3的转轴30连接。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对齐限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对齐中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种同轴拼接的主轴电机，其特征在于，包括机壳(1)、冷却水套(2)以及多组永磁电机(3)，所述永磁电机(3)包括转轴(30)、转子(31)以及定子(32)，所述转子(31)设置在所述转轴(30)上，所述转子(31)包括磁轭(310)和设置在所述磁轭(310)上的磁钢(311)，所述冷却水套(2)固定安装在所述机壳(1)内，所述定子(32)固定安装在所述冷却水套(2)内，多组所述永磁电机(3)依次固定安装在所述冷却水套(2)内且相邻两个所述永磁电机(3)的转轴(30)之间通过转轴(30)连接结构串联在一起；位于所述主轴电机的一端的转轴(30)伸出所述机壳(1)形成主轴电机输出轴，位于所述主轴电机的另一端的转轴(30)上设置编码器(5)；

所述机壳(1)与所述冷却水套(2)之间和所述定子(32)与所述冷却水套(2)之间依次设有用于将多组所述永磁电机(3)串联后多组所述定子(32)的机械角保持一致的第四定位结构(63)和第一定位结构(60)；

所述转轴(30)与所述磁轭(310)之间和所述磁轭(310)与所述磁钢(311)之间依次设有用于将多组所述永磁电机(3)串联后多组所述转子(31)的机械角保持一致的第二定位结构(61)和第三定位结构(62)。

2.根据权利要求1所述的一种同轴拼接的主轴电机，其特征在于，所述第一定位结构(60)和所述第二定位结构(61)为键定位结构或销定位结构；

所述第三定位结构(62)为设置在所述磁轭(310)外径上与所述第二定位结构(61)位于同一径向方向上的定位槽结构。

3.根据权利要求1或2所述的一种同轴拼接的主轴电机，其特征在于，所述机壳(1)包括多个依次串联连接的子机壳(10)，所述冷却水套(2)包括多个依次固定安装在所述机壳(1)内的子冷却水套(20)；

所述第四定位结构(63)设置在所述子机壳(10)与所述子冷却水套(20)之间。

4.根据权利要求3所述的一种同轴拼接的主轴电机，其特征在于，所述第四定位结构(63)为设置在前一级子机壳(10)与后一级子冷却水套(20)之间的键定位结构或销定位结构。

5.根据权利要求4所述的一种同轴拼接的主轴电机，其特征在于，所述子冷却水套(20)包括冷却水套(2)本体和设置在所述冷却水套(2)本体上用于安装轴承的轴承安装部(22)，所述冷却水套(2)本体的外径上设有冷却流道(23)。

6.根据权利要求1所述的一种同轴拼接的主轴电机，其特征在于，所述转轴(30)连接结构为花键结构，所述花键结构上设有与所述第二定位结构(61)对应的第五定位结构(64)。

7.根据权利要求1所述的一种同轴拼接的主轴电机，其特征在于，所述转轴(30)连接结构为调节盘(40)结构，所述调节盘(40)结构上设有与所述第二定位结构(61)对应的第六定位结构(65)。

8.根据权利要求6所述的一种同轴拼接的主轴电机，其特征在于，所述第五定位结构(64)为定位销结构。

9.根据权利要求7所述的一种同轴拼接的主轴电机，其特征在于，所述第六定位结构(65)为定位销结构。

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