專利名稱：超高速大功率磁懸浮主軸電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種磁懸浮主軸電機，尤其涉及一種超高速大功率的磁懸浮主軸電機。
背景技術：
上世紀90年代以來，高效高精密的超高速加工技術得到了迅速發展，在工業各部門特別是航空航天、汽車摩托車工業、模具加工、紡織和化工機械等領域獲得了廣泛應用。高速與超高速切削不但要求機床主軸轉速高，而且要求傳遞的扭矩和功率也要大，并且在高速運轉中還要保持良好的動態特性和熱態特性。在超高速條件下，軸承是電主軸實現高速化和精密化的關鍵。目前氮化硅陶瓷軸承由于承載力和動靜剛度不夠，無法同時滿足高轉速和大承載力，且需配備專門的油氣潤滑和噴油潤滑裝置，只適用于一些準高速主軸，對超高速電主軸仍不理想。磁懸浮軸承由于利用電磁力將主軸無機械接觸地懸浮起來，具有無機械接觸、無摩擦與磨損、無需潤滑與密封、能耗小，無機械噪聲，可在真空或腐蝕介質的環境中工作等系列優點。但傳統的主軸電機用磁軸承系統采用兩個徑向電磁軸承和一個軸向電磁軸承來控制主軸的五個自由度，占有相當的軸向空間，結構復雜，限制了高速主軸電機的微型化及其臨界轉速和輸出功率的進一步提高。
發明內容
1、發明目的本發明的目的是提供一種結構簡單緊湊、功率密度大、承載力大、體積小、重量輕、可靠性高的新型超高速大功率磁懸浮主軸電機。
2、技術方案為了達到上述的發明目的，本發明的超高速大功率磁懸浮主軸電機包括機殼、主軸、一臺無軸承交替極永磁電機、一個三自由度永磁偏置混合磁軸承和兩個輔助軸承，三自由度永磁偏置混合磁軸承安裝在無軸承交替極永磁電機與機殼之間的主軸上，其中一個輔助軸承安裝在無軸承交替極永磁電機一側的端蓋的中心位置，另一個輔助軸承安裝在三自由度永磁偏置混合磁軸承一側的端蓋的中心位置，其中，無軸承交替極永磁電機的定子槽中分別嵌繞一套用于控制電機轉矩輸出的三相轉矩繞組和一套用于控制轉子所受懸浮力的懸浮控制繞組，安裝在轉子上的永磁體沿徑向方向均為同極性排列，永磁體之間的轉子鐵心被交替磁化成相同的另一極性。所述的輔助軸承在本電機系統不轉或低速時用來支撐轉子，以防止轉子磨損發熱而失去支撐功能，導致電機損壞。
三自由度永磁偏置混合磁軸承的徑向定子齒極有徑向懸浮磁軸承控制繞組和軸向懸浮磁軸承控制繞組，三自由度永磁偏置混合磁軸承的外部定子鐵心套裝在環形永磁體的外圓上，環形永磁體貼裝在徑向定子齒極的表面，環形永磁體所產生的徑向偏置磁通依次經過徑向定子齒極、徑向氣隙、轉子鐵心、軸向氣隙和外部定子鐵心構成回路。所述的環形永磁體一般采用釹鐵硼永磁體，外部定子鐵心和轉子鐵心所用材料為電工純鐵。
為了保證電機的可靠運行，防止系統過熱，它還包括冷卻系統，該系統包括入水孔、出水孔和環設于機殼上的冷卻水槽，入水孔、出水孔分別位于機殼軸向的兩側。
為了對電機進行有效控制，它還包括傳感器檢測系統，該系統包括磁軸承軸向位移傳感器、磁軸承徑向位移傳感器和無軸承電機徑向位移傳感器，磁軸承徑向位移傳感器位于其中一個輔助軸承的右側并安裝在位于端蓋上的徑向支架上，無軸承電機徑向位移傳感器位于另一個輔助軸承的左側并安裝在位于端蓋上的徑向支架上，磁軸承軸向位移傳感器安裝在位于端蓋的軸向支架上。磁軸承軸向位移傳感器用于檢測三自由度永磁偏置混合磁軸承軸向的位移，磁軸承徑向位移傳感器用于檢測三自由度永磁偏置混合磁軸承徑向的位移，無軸承電機徑向位移傳感器用于檢測無軸承電機的徑向位移。
本發明的工作原理是將無軸承技術與磁軸承技術相結合，一方面利用無軸承交替極永磁電機懸浮控制繞組的作用，改變電機旋轉磁場對稱分布，在轉子上產生大小和方向可控的徑向懸浮力，實現電機主軸的兩自由度懸浮，以取代傳統電機主軸一端的軸承支撐系統，從而將電機與軸承集成起來；另一方面利用三自由度永磁偏置軸向/徑向磁軸承實現另外三個自由度的磁懸浮，以取代主軸另一端的軸承支撐系統，從而將徑向和軸向磁軸承集成起來，進一步縮小了主軸軸向長度，提高了臨界轉速，實現了主軸的五自由度全懸浮運行。本發明所使用的無軸承交替極永磁電機是在無軸承永磁同步電機的基礎上產生的，無軸承永磁同步電機在充分發揮永磁電機高效率、長壽命、大功率和體積小等優勢的基礎上，結合了磁軸承技術的優點集成電機驅動與懸浮功能于一體，不占用額外的軸向空間，結構更加緊湊，其軸承剛度、空間利用率以及電磁效率等均有很大的提高。但是傳統的無軸承永磁同步電機結構為表面貼裝式或插入式，存在著控磁能力差，可控懸浮力小，永磁體易退磁及懸浮力與轉矩控制相互耦合等問題，很大程度上制約了無軸承永磁同步電機的應用和發展，而無軸承交替極永磁電機克服了這些缺陷。
3、有益效果本發明的超高速大功率磁懸浮主軸電機具有以下特點①采用無軸承電機作為主軸驅動電機以及用三自由度永磁偏置軸向/徑向混合磁軸承取代傳統軸向/徑向分離的磁軸承，將電機與軸承、軸向與徑向集成于一體，結構簡單緊湊，具有高度集成性，進一步提高了軸向空間利用率，臨界轉速高，易于實現大功率超高速運轉；②采用的交替極永磁無軸承電機控磁容易，無普通無軸承永磁電機轉矩與懸浮力折中的矛盾，懸浮電流小，承載能力和剛度成倍上升，電機散熱便利功耗小；③固有的懸浮解耦特性，懸浮力與轉矩控制之間相互獨立，懸浮控制模型簡單，大大降低了控制系統設計難度；④使用壽命長，可靠性高，便于模塊化和機械加工，可有效降低機械加工成本與功率電子器件成本，提高電主軸產品的競爭性。本發明的新型超高速大功率磁懸浮主軸電機將無軸承技術和磁軸承技術各自的優點有機的結合起來，對我國航空航天、汽車摩托車工業、模具加工、紡織和化工機械等領域采用國內自行研發生產具有自身知識產權的高性價比電主軸與驅動系統裝備新一代國產設備，替代各種進口設備中已廢的電主軸，將有效遏制數控機床加工中心及其他設備的進口勢頭，是我國數控機床及其它高效設備邁向新臺階的關鍵舉措之一，這將對我國高速機床加工技術的發展產生深遠影響，具有重要意義。
四
圖1是超高速大功率磁懸浮主軸電機結構示意圖；圖2是無軸承交替極永磁電機結構示意圖；圖3是三自由度永磁偏置混合磁軸承結構示意圖。
五具體實施例方式
如圖1所示，本實施例的超高速大功率磁懸浮主軸電機包括機殼19、主軸3、一臺無軸承交替極永磁電機22、一個三自由度永磁偏置混合磁軸承23和輔助軸承2、11，三自由度永磁偏置混合磁軸承23安裝在無軸承交替極永磁電機22與機殼19之間的主軸3上，輔助軸承2安裝在無軸承交替極永磁電機22一側的端蓋的中心位置，輔助軸承11安裝在三自由度永磁偏置混合磁軸承23一側的端蓋的中心位置，其中，無軸承交替極永磁電機22的定子槽16中分別嵌繞一套用于控制電機轉矩輸出的三相轉矩繞組15和一套用于控制轉子17所受懸浮力的懸浮控制繞組14，安裝在轉子17上的永磁體21沿徑向方向均為同極性排列，永磁體21之間的轉子鐵心被交替磁化成相同的另一極性，輔助軸承2和輔助軸承11與主軸3同心。
如圖2所示，無軸承交替極永磁電機22的定子槽16中分別嵌繞一套用于控制電機轉矩輸出的三相轉矩繞組15和一套用于控制轉子17所受懸浮力的懸浮控制繞組14，安裝在轉子17上的永磁體21沿徑向方向均為同極性排列，永磁體21之間的轉子鐵心被交替磁化成相同的另一極性。通過定子槽16中的轉矩繞組15和懸浮繞組14所產生氣隙磁場的相互作用實現電機主軸一端的兩自由度懸浮。
如圖3所示，三自由度永磁偏置混合磁軸承23的徑向定子齒極6上繞有徑向懸浮磁軸承控制繞組4和軸向懸浮磁軸承控制繞組5，三自由度永磁偏置混合磁軸承23的外部定子鐵心8套裝在環形永磁體7的外圓上，環形永磁體7貼裝在徑向定子齒極6的表面，環形永磁體7所產生的徑向偏置磁通依次經過徑向定子齒極6、徑向氣隙、轉子鐵心9、軸向氣隙和外部定子鐵心8構成回路。通過控制四個徑向定子齒極6上繞有的磁軸承控制繞組4、5，可實現電機主軸軸向和徑向方向上的另外三個自由度的主動磁懸浮，從而實現轉子的五自由度全懸浮運行。其中，外部定子鐵心8和轉子鐵心9所用材料為電工純鐵。
本實施例的電機冷卻系統包括入水孔18、出水孔12和環設于機殼19上的冷卻水槽13，入水孔18、出水孔12分別位于機殼19軸向的兩側。它還包括傳感器檢測系統，該系統包括磁軸承軸向位移傳感器1、磁軸承徑向位移傳感器10和無軸承電機徑向位移傳感器20，磁軸承徑向位移傳感器10位于輔助軸承11的右側并安裝在位于端蓋上的徑向支架上，無軸承電機徑向位移傳感器20位于輔助軸承2的左側并安裝在位于端蓋上的徑向支架上，磁軸承軸向位移傳感器1安裝在位于端蓋的軸向支架上。
所述的傳感器采電渦流位移傳感器，其探頭型號RS-900500-02-015-20-00，前置器型號為RS-900500-20-03，也可以根據需要采用其它型號的傳感器。
權利要求
1.一種超高速大功率磁懸浮主軸電機，其特征在于它包括機殼(19)、主軸(3)、一臺無軸承交替極永磁電機(22)、一個三自由度永磁偏置混合磁軸承(23)和輔助軸承(2、11)，三自由度永磁偏置混合磁軸承(23)安裝在無軸承交替極永磁電機(22)與機殼(19)之間的主軸(3)上，輔助軸承(2)安裝在無軸承交替極永磁電機(22)一側的端蓋的中心位置，輔助軸承(11)安裝在三自由度永磁偏置混合磁軸承(23)一側的端蓋的中心位置，其中，無軸承交替極永磁電機(22)的定子槽(16)中分別嵌繞一套用于控制電機轉矩輸出的三相轉矩繞組(15)和一套用于控制轉子(17)所受懸浮力的懸浮控制繞組(14)，安裝在轉子(17)上的永磁體(21)沿徑向方向均為同極性排列，永磁體(21)之間的轉子鐵心被交替磁化成相同的另一極性。
2.如權利要求1所述的超高速大功率磁懸浮主軸電機，其特征在于三自由度永磁偏置混合磁軸承(23)包括徑向懸浮磁軸承控制繞組(4)、軸向懸浮磁軸承控制繞組(5)、徑向定子齒極(6)、環形永磁體(7)和外部定子鐵心(8)，徑向懸浮磁軸承控制繞組(4)和軸向懸浮磁軸承控制繞組(5)繞在徑向定子齒極(6)上，外部定子鐵心(8)套裝在環形永磁體(7)的外圓上，環形永磁體(7)貼裝在徑向定子齒極(6)的表面，環形永磁體(7)所產生的徑向偏置磁通依次經過徑向定子齒極(6)、徑向氣隙、轉子鐵心(9)、軸向氣隙和外部定子鐵心(8)構成回路。
3.如權利要求2所述的超高速大功率磁懸浮主軸電機，其特征在于外部定子鐵心(8)和轉子鐵心(9)所用材料為電工純鐵。
4.如權利要求1或2所述的超高速大功率磁懸浮主軸電機，其特征在于它還包括冷卻系統，該系統包括入水孔(18)、出水孔(12)和環設于機殼(19)上的冷卻水槽(13)，入水孔(18)、出水孔(12)分別位于機殼(19)軸向的兩側。
5.如權利要求1或2所述的超高速大功率磁懸浮主軸電機，其特征在于它還包括傳感器檢測系統，該系統包括磁軸承軸向位移傳感器(1)、磁軸承徑向位移傳感器(10)和無軸承電機徑向位移傳感器(20)，磁軸承徑向位移傳感器(10)位于輔助軸承(11)的右側并安裝在位于端蓋上的徑向支架上，無軸承電機徑向位移傳感器(20)位于輔助軸承(2)的左側并安裝在位于端蓋上的徑向支架上，磁軸承軸向位移傳感器(1)安裝在位于端蓋的軸向支架上。
6.如權利要求4所述的超高速大功率磁懸浮主軸電機，其特征在于所述的傳感器為為電渦流位移傳感器，其探頭型號RS-900500-02-015-20-00，前置器型號為RS-900500-20-03。
全文摘要
本發明公開了一種超高速大功率磁懸浮主軸電機，它包括機殼、主軸、一臺無軸承交替極永磁電機、一個三自由度永磁偏置混合磁軸承和兩個輔助軸承，三自由度永磁偏置混合磁軸安裝在無軸承交替極永磁電機與機殼之間的主軸上，其中一個輔助軸承安裝在無軸承交替極永磁電機一側端蓋的中心位置，另一個輔助軸承安裝在三自由度永磁偏置混合磁軸承一側端蓋的中心位置。本發明將電機與軸承、軸向與徑向集成于一體，結構簡單緊湊，具有高度集成性，進一步提高了軸向空間利用率，臨界轉速高，易于實現大功率超高速運轉，設計難度低，使用壽命長，可靠性高，便于模塊化和機械加工，可有效降低機械加工成本與功率電子器件成本，提高電主軸產品的競爭性。
文檔編號G01B7/00GK1852005SQ20061004007
公開日2006年10月25日 申請日期2006年4月30日 優先權日2006年4月30日
發明者鄧智泉, 仇志堅, 王曉琳 申請人:南京航空航天大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
