RU2370344C1 - Spindle - Google Patents
Spindle Download PDFInfo
- Publication number
- RU2370344C1 RU2370344C1 RU2008108960/02A RU2008108960A RU2370344C1 RU 2370344 C1 RU2370344 C1 RU 2370344C1 RU 2008108960/02 A RU2008108960/02 A RU 2008108960/02A RU 2008108960 A RU2008108960 A RU 2008108960A RU 2370344 C1 RU2370344 C1 RU 2370344C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- shaft
- bearings
- spindle
- housing
- stator
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к шпинделям со встроенным электродвигателем с магнитными подшипниками на валу, и может быть использовано для оснащения различных обрабатывающих станков, в быстроходных центрифугах и других специальных центробежных установках (например, в различных измельчителях материалов).The invention relates to mechanical engineering, namely to spindles with a built-in electric motor with magnetic bearings on the shaft, and can be used to equip various processing machines, in high-speed centrifuges and other special centrifugal installations (for example, in various material shredders).
Предшествующий уровень техникиState of the art
В настоящее время ряд зарубежных фирм изготавливает шпиндели с магнитными подшипниками вала, например компания «SKF Group» (Каталог «General Catalogue. School edition» (Catalogue 5000 E - June 2003), стр.1095, 1103). Они содержат блоки активных (управляемых сигналами датчиков положения вала) магнитных подшипников, встроенный электродвигатель и два страховочных (используемых в случае отказа магнитного подвеса) шарикоподшипника, установленные с зазором относительно корпуса шпинделя. Блок магнитных подшипников содержит два радиальных и один осевой или два радиально-осевых (конических) подшипника и требует сложной, громоздкой и дорогой системы электронного управления, содержащей пять каналов регулирования (два - для каждого радиального подшипника и один - для осевого подшипника).At present, a number of foreign companies are manufacturing spindles with magnetic shaft bearings, for example, SKF Group (Catalog General Catalog. School edition (Catalog 5000 E - June 2003), pp. 1095, 1103). They contain blocks of active (controlled by signals from the shaft position sensors) magnetic bearings, a built-in electric motor and two safety (used in the event of a magnetic suspension failure) ball bearings mounted with a gap relative to the spindle housing. The magnetic bearing block contains two radial and one axial or two radial-axial (tapered) bearings and requires a complex, cumbersome and expensive electronic control system containing five control channels (two for each radial bearing and one for the axial bearing).
За прототип принят подобный шпиндель, описанный автором (Журавлев Ю.Н. «Активные магнитные подшипники. Теория, расчет, применение», «Политехника», Санкт-Петербург, 2003, стр.22, рис.2.4, стр.24 рис.2.6-2.7, стр.187 (прототип) [1]) и представленный на фиг.1, который содержит корпус 1, электродвигатель (статор 2, ротор 3), блок магнитных подшипников (БМП), состоящий из двух конических подшипников (первый - статор 5, ротор 6, второй - статор 7, ротор 8), и два страховочных шарикоподшипника СП1 и СП2, установленных на валу с зазорами между наружными кольцами и корпусом. При отказе магнитного подшипника вращающийся вал входит через эти подшипники в контакт с корпусом, после чего производится остановка, например, на свободном выбеге.A similar spindle described by the author (Zhuravlev Yu.N. “Active Magnetic Bearings. Theory, Calculation, Application”, Polytechnic, St. Petersburg, 2003, p.22, fig. 2.4, p.24 fig.2.6 -2.7, p. 187 (prototype) [1]) and shown in FIG. 1, which contains a
Недостатками шпинделя-прототипа являются сложность конструкции и электронных блоков управления, возможность разрушения из-за явления обката (стр.187 [1]) при контакте корпуса со страховочными подшипниками, допустимая скорость вращения которых естественно ниже скорости вращения вала в бесконтактном магнитном подвесе (поэтому страховочные подшипники выдерживают ограниченное число аварийных ситуаций). Основной недостаток прототипа с точки зрения потребителя - дороговизна магнитных подшипников со сложными блоками управления, что на практике приводит к тому, что они не выдерживают конкуренции с обычными подшипниками со смазкой, например, масляным туманом. Применение магнитных опор экономически оправдано в мощных энергетических установках благодаря устранению чрезвычайно большого расхода масла для традиционных опор валов.The disadvantages of the prototype spindle are the complexity of the design and electronic control units, the possibility of destruction due to the rolling phenomenon (p. 187 [1]) upon contact of the housing with safety bearings, the permissible rotation speed of which is naturally lower than the shaft rotation speed in a non-contact magnetic suspension (therefore safety bearings withstand a limited number of emergencies). The main disadvantage of the prototype from the point of view of the consumer is the high cost of magnetic bearings with complex control units, which in practice leads to the fact that they cannot withstand competition with conventional bearings with lubrication, for example, oil mist. The use of magnetic bearings is economically viable in powerful power plants by eliminating the extremely high oil consumption for traditional shaft bearings.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Задача изобретения заключается в существенном упрощении как конструкции шпинделя, так и его электронных компонентов, сокращении их числа и повышении надежности всего устройства. Следствием этого является значительное снижение стоимости шпинделя, и, следовательно, он становится доступным для большого круга потребителей скоростных приводов.The objective of the invention is to significantly simplify both the design of the spindle and its electronic components, reducing their number and increasing the reliability of the entire device. The consequence of this is a significant reduction in the cost of the spindle, and, therefore, it becomes available to a wide range of consumers of high-speed drives.
Эта задача решена благодаря тому, что вал шпинделя выполнен полым, страховочные подшипники установлены между полой частью вала и осью, закрепленной на торце корпуса, а БМП - в корпусе в зоне выходной части полого вала, заглушенного со стороны установки рабочего инструмента. На оси установлено демпфирующее устройство в виде диска и кольца из пористого эластомера, помещенного между диском и торцом корпуса. Для предельного упрощения БМП выполнен в виде одного статора с обмотками и ротора. При этом в рабочих зазорах на поверхностях статора и ротора сделан ряд соответствующих друг другу кольцеобразных углублений. Система электронного управления выполнена в виде соединенных в две (по ортогональным осям) мостовые схемы диаметрально противоположно расположенных обмоток статора. При этом к первым диагоналям схем подключен источник питающего переменного напряжения, а ко вторым - блоки управления. Для увеличения осевой жесткости применен третий блок управления, включенный между мостовыми схемами и источником питающего напряжения.This problem is solved due to the fact that the spindle shaft is hollow, safety bearings are installed between the hollow part of the shaft and the axis fixed to the end of the housing, and the BMP is located in the housing in the area of the output part of the hollow shaft, muffled from the installation side of the working tool. A damping device in the form of a disk and a ring of porous elastomer placed between the disk and the end face of the housing is mounted on the axis. For the ultimate simplification, the BMP is made in the form of a single stator with windings and a rotor. Moreover, in the working gaps on the surfaces of the stator and rotor, a number of ring-shaped recesses corresponding to each other are made. The electronic control system is made in the form of bridge circuits of diametrically opposite stator windings connected in two (along orthogonal axes). In this case, the source of the supply alternating voltage is connected to the first diagonals of the circuits, and the control units to the second ones. To increase the axial stiffness, a third control unit is used, which is connected between the bridge circuits and the power supply source.
Перечень чертежейList of drawings
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг.1 показано устройство шпинделя-прототипа.Figure 1 shows the device spindle prototype.
На фиг.2 представлена конструкция предложенного шпинделя.Figure 2 presents the design of the proposed spindle.
На фиг.3 более детально показана конструкция предложенного шпинделя с устройством демпфирования оси и БМП в виде одного специального статора и ротора.Figure 3 shows in more detail the design of the proposed spindle with a damping device of the axis and BMP in the form of one special stator and rotor.
На фиг.4 представлен в разрезе специальный статор магнитного подшипника.Figure 4 presents in section a special stator of a magnetic bearing.
На фиг.5 приведена электрическая схема подключения обмоток статора магнитного подшипника к источнику питающего напряжения и блокам управления.Figure 5 shows the electrical diagram of the connection of the stator windings of the magnetic bearing to a power source and control units.
Предложенный шпиндель (фиг.2) содержит корпус 1, электродвигатель, состоящий из статора 2 и ротора 3, установленного на полом валу 4, и две группы страховочных подшипников (первая 9 - в торце шпинделя, вторая 10 - в зоне выхода вала). БМП содержит два конических (радиально-осевых) подшипника: первый - статор 5 и ротор 6, второй - статор 7 и ротор 8. Страховочные подшипники установлены без зазора в полости вала 4 на оси 11. На выходе вала установлена заглушка 12, к которой крепится рабочий инструмент (для упрощения чертежа обмотки статоров двигателя и магнитных подшипников не показаны).The proposed spindle (figure 2) contains a
Для увеличения жесткости оси 11 (фиг.3), закрепленной в задней крышке 13 шпинделя (передняя крышка - 14), использована конфигурация, при которой средняя часть оси (без подшипников) выполнена с увеличенным диаметром, величина которого определяется диаметром полости вала. В торце шпинделя относительно крышки 13 установлено демпфирующее устройство, состоящее из диска 15, жестко закрепленного на оси 11, и кольца 15, например, из пористого эластомера. БМП выполнен в виде одного зубчатого статора 17 (обмотки статора на фиг.3 не показаны) и ротора 18, на которых в рабочем зазоре выполнен ряд соответствующих друг другу кольцеобразных углублений (на чертеже - четыре). Зубчатый статор БМП (фиг.4) содержит восемь обмоток 19-26. Диаметрально противоположно расположенные обмотки 19-23 и 20-24 включены (фиг.5) в первую мостовую схему для реализации тяги магнитного поля по оси y. Аналогично обмотки 21-25 и 22-26 включены во вторую мостовую схему для реализации тяги по ортогональной оси x. К первым (входным) диагоналям этих схем подключен источник питающего переменного напряжения 27, ко вторым (выходным) диагоналям подключены электронные блоки управления 28 и 29. Такое исполнение БМП в виде одного статора 17 и ротора 18 с кольцеобразными углублениями обеспечивает осевую жесткость вала без использования дополнительных средств. Для увеличения осевой жесткости вала и регулирования его продольного смещения применен дополнительно третий блок управления, включенный последовательно между мостовыми схемами и источником питающего напряжения.To increase the rigidity of the axis 11 (figure 3), mounted in the rear cover 13 of the spindle (front cover 14), a configuration was used in which the middle part of the axis (without bearings) is made with an increased diameter, the value of which is determined by the diameter of the shaft cavity. At the end of the spindle relative to the cover 13, a damping device is installed, consisting of a disk 15, rigidly fixed to the
Предложенный шпиндель (фиг.2) работает следующим образом. Блок шарикоподшипников 9, установленных без зазора между полостью вала и осью 11, обеспечивает радиальную жесткость в зоне торца вала. Число и размеры этих подшипников устанавливаются исходя из радиальной нагрузки и допустимой скорости вращения подшипников. Диаметр их может быть в несколько раз меньше диаметра страховочных подшипников прототипа и, следовательно, удовлетворяет высокой рабочей скорости вращения вала шпинделя, передающего большую мощность от двигателя к инструменту благодаря практически неограниченному наружному диаметру. Блок подшипников 10 обеспечивает (без включенного БМП) в зоне выхода вала (установки рабочего инструмента) радиальную жесткость, соответствующую угловой жесткости оси 11 и достаточную для аварийного режима работы без контакта компонентов вращающегося вала с корпусом. Демпфер в основании оси 11 (диск 15 и кольцо 16, фиг.3) обеспечивает разгон и остановку шпинделя без включения БМП при прохождении резонансной частоты вращения вала, определяемой его массой и угловой жесткостью оси. От чрезмерной аварийной осевой нагрузки предохраняет контакт заглушки 12 (фиг.3) со сферической поверхностью свободного торца оси 11. В рабочем режиме включен БМП, который создает высокие статические радиальную и осевую жесткости вала в зоне рабочего инструмента, обеспечивает демпфирование колебаний вала, позволяет регулировать его положение и парировать нагрузки, вызванные дебалансом инструмента.The proposed spindle (figure 2) works as follows. The block of ball bearings 9 mounted without a gap between the shaft cavity and the
Предлагаемый принцип построения шпинделя позволяет создать наиболее простую и надежную конструкцию с магнитными подшипниками, представленную на фиг.3. БМП, создающий в зоне выхода вала радиальную и одновременно осевую жесткости, выполнен в виде специального статора 17 и ротора 18 с рядом радиальных кольцевых углублений, приводящих к образованию (в разрезе) продольных зубцовых зон. Притяжение в магнитном поле статора зубцов ротора к зубцам статора обусловливает осевую жесткость вала, пропорциональную количеству этих зубцов, без использования электронного блока управления.The proposed principle of spindle construction allows you to create the most simple and reliable design with magnetic bearings, presented in figure 3. BMP, which creates radial and at the same time axial stiffness in the shaft exit zone, is made in the form of a
Обмотки 19-26 (фиг.4) статора 17 с восемью радиальными зубцами соединены по осям x и y в идентичные мостовые схемы (фиг.5). При смещении ротора 18, например, по оси y, по направлению к обмоткам 23 и 24 индуктивности этих обмоток увеличиваются, а индуктивности противоположных обмоток 19 и 20 уменьшаются. В результате в выходной диагонали рассматриваемой мостовой схемы, подключенной к источнику переменного напряжения 27, появится сигнал, пропорциональный смещению тела. Этот сигнал преобразуется в силовое переменное напряжение, прикладываемое к точкам выходной диагонали для создания силы, противодействующей смещению ротора, например, с помощью блока управления 28 (Патент РФ № 2209393, кл. G01С 19/00, 2003) где компенсация влияния силового напряжения на сигнал рассогласования реализована благодаря введению в усилителе отрицательной обратной связи с учетом фазового сдвига по отношению к сигналу рассогласования. Необходимо отметить, что в предложенном шпинделе источником питающего напряжения 27 магнитного подшипника служит фазное напряжение питания асинхронного двигателя.The windings 19-26 (figure 4) of the
Еще более простое выполнение блоков управления соответствует применению резонансных схем со специальными пассивными демпферами (Патент РФ № 2193122, кл. F16С 32/04, кл. G01С 19/24, 2002), содержащими интеграторы, обусловливающие получение высокой статической жесткости резонансного подвеса.An even simpler implementation of the control units corresponds to the use of resonant circuits with special passive dampers (RF Patent No. 2193122, class F16C 32/04, class G01C 19/24, 2002), containing integrators that result in high static rigidity of the resonant suspension.
Применение блока управления 30 позволяет существенно увеличить естественную осевую жесткость рассматриваемого БМП при ограниченном числе кольцеобразных углублений на статоре и роторе.The use of the
Предложенный шпиндель с магнитными подшипниками по сравнению с прототипом существенно проще и надежнее. Следствием этого является его сравнительно низкая стоимость, что может привести к доступности использования шпинделя в мощных высокоскоростных приводах.The proposed spindle with magnetic bearings in comparison with the prototype is much simpler and more reliable. The consequence of this is its relatively low cost, which can lead to the availability of the spindle in high-power high-speed drives.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008108960/02A RU2370344C1 (en) | 2008-03-03 | 2008-03-03 | Spindle |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008108960/02A RU2370344C1 (en) | 2008-03-03 | 2008-03-03 | Spindle |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2008108960A RU2008108960A (en) | 2009-09-10 |
RU2370344C1 true RU2370344C1 (en) | 2009-10-20 |
Family
ID=41166205
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008108960/02A RU2370344C1 (en) | 2008-03-03 | 2008-03-03 | Spindle |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2370344C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2468895C1 (en) * | 2011-06-16 | 2012-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | High-speed spindle |
RU2547450C1 (en) * | 2014-04-29 | 2015-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | System based on hybrid magnetic bearings |
RU2626461C1 (en) * | 2016-02-25 | 2017-07-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | System based on magnetic bearings |
-
2008
- 2008-03-03 RU RU2008108960/02A patent/RU2370344C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2468895C1 (en) * | 2011-06-16 | 2012-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | High-speed spindle |
RU2547450C1 (en) * | 2014-04-29 | 2015-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | System based on hybrid magnetic bearings |
RU2626461C1 (en) * | 2016-02-25 | 2017-07-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | System based on magnetic bearings |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2008108960A (en) | 2009-09-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU185370U1 (en) | MAGNET BEARING | |
CN104279236B (en) | Auxiliary bearing for magnetic suspension rotor system | |
US20040189124A1 (en) | Axial load-insensitive emergency bearing | |
CA2857685C (en) | Auxiliary bearing of the ball bearing type for a magnetically suspended rotor system | |
RU2667567C2 (en) | Rotating machine (versions) | |
CN104190959B (en) | There is the Aerostatic Spindle of turn error monitoring function | |
RU2370344C1 (en) | Spindle | |
CN111051716B (en) | Device provided with bearing in bearing | |
CN101065588B (en) | Revolving joint | |
WO2018178187A1 (en) | Dynamic force generator comprising at least two unbalanced masses and actuator comprising said generators | |
WO2005017375A3 (en) | Fluidics-balanced fluid bearing | |
CN103047280A (en) | Novel rolling bearing structure | |
KR20180099465A (en) | Reduction bearing and electric motor | |
CN203067539U (en) | Novel rolling bearing structure | |
EP1657437A1 (en) | Generator bearing arrangement in a wind power plant | |
RU2652792C1 (en) | Bearingless electric motor | |
RU2562448C1 (en) | Electric machine without bearings | |
CN115045914B (en) | Non-contact slewing bearing | |
CN101504039A (en) | Rotor cage type cantilever elastic support | |
Khatri et al. | Design and prototype test data for a 300 kW active magnetic bearings-supported turbine generator for natural gas pressure letdown | |
RU2224146C2 (en) | Method to increase service life of triple-race bearing support and suspension of electromechanical device high-speed unit (versions) | |
RU2518053C1 (en) | Method and device for control of rotor position at magnetic bearings | |
Weise | Present industrial applications of active magnetic bearings | |
RU2468895C1 (en) | High-speed spindle | |
FI125642B (en) | Controllable bearing system and machine incorporating the same bearing system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170304 |