[實用新型]五自由度交流磁軸承支承的高速電主軸系統

無效

• 申請號: 200820216117.3
• 申請日: 2008-11-28
• 公開（公告）號: CN201307809Y
• 公開（公告）日: 2009-09-09
• 發明（設計）人: 鄔清海;朱熀秋;諸德宏
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: H02K7/09
• 分類號: H02K7/09;F16C32/04;H02N15/00
• 代理公司: 南京知識律師事務所
• 代理人: 汪旭東

技術領域

本實用新型屬于機電傳動設備控制技術領域，是一種非接觸的磁懸浮旋轉機械領域，特指五自由度交流磁軸承支承的高速電主軸系統，適用于各類高速高精旋轉機械的五自由度懸浮支承，可用于真空技術、純凈潔室、無菌車間以及腐蝕性介質或非常純凈介質的傳輸等特殊場合，在高速高精數控機床、機械制造工業、生命科學、航空航天等領域具有無可替代的應用價值。

背景技術

磁軸承是利用磁場力將轉子懸浮于空間，實現了轉子與定子之間無機械接觸的高科技機電一體化產品。磁軸承支承的電機傳動系統具有轉速高、功耗低、無摩擦、無磨損、無需潤滑和密封、壽命長等特點，可用于真空技術、純凈潔室和無菌車間等特殊場合。

電主軸是將電機套裝在旋轉機械主軸上，實現電機直接帶動旋轉機械主軸旋轉的零傳動機械系統。由于電主軸實現了無齒輪、聯軸節、皮帶等中間傳動裝置和變速機構，所以大大簡化了旋轉機械的結構，消除了由于中間傳動裝置和變速機構引起的振動、機械摩擦、機械噪音和能量損耗，提高了旋轉機械的控制精度和機械效率。

因此，將磁軸承支承技術應用到旋轉機械電主軸上成為了上世紀70年代至今的一個研究熱點。1977年S2M公司開發了世界上第一臺高速機床用的磁浮電主軸，并在1981年德國Hanover歐洲國際機床展覽會上推出了B20/500磁浮電主軸系統，并在35000r/min轉速下進行了鉆、銑現場表演。隨后瑞士、日本、美國、法國、德國和中國等國家的研究人員相繼開展了對磁軸承支承的電主軸系統的研究。

傳統的磁浮電主軸系統的轉子由3個直流主動磁軸承來支承，其中2個徑向磁軸承，每個徑向磁軸承控制徑向相互垂直的兩個方向，另1個軸向推力磁軸承控制軸向自由度；采用直流控制，直流功率放大器價格高，體積大，1個徑向磁軸承通常需要4路單極性(或2路雙極性)功率放大電路，從而直接導致了磁軸承支承的電主軸系統體積大、功耗高、造價昂貴，大大限制了其應用領域，特別是在航空航天及軍事應用領域。

發明內容

本實用新型的目的在于針對傳統的五自由度磁浮電主軸系統的缺點，設計出一種結構緊湊、功耗低、制造成本低、能夠穩定懸浮和穩定運行的電主軸系統。

本實用新型的目的還在于，對用于支承電主軸、實現電主軸在5個自由度上穩定懸浮的磁軸承結構與控制進行優化設計。在保證電主軸系統懸浮所需的承載力的前提下，設計出結構緊湊、功耗低、效率高的磁軸承，從而進一步縮小整個電主軸系統的體積、顯著降低整個系統的功耗。設計出一種能夠用于高速高精數控機床、機械制造工業、生命科學、航空航天等領域的五自由度交流磁軸承支承的高速電主軸系統。

實現本實用新型目的的技術方案有兩種。

本實用新型的第一種技術方案是：

五自由度交流磁軸承支承的高速電主軸系統，包括壓裝在鋼筒中的交直流三自由度主動磁軸承、高速主軸電機、交流二自由度主動磁軸承、轉軸、右端蓋和左端蓋，高速主軸電機安裝在轉軸上，所述交直流三自由度主動磁軸承和交流二自由度主動磁軸承分別安裝在高速主軸電機的左右兩側；軸向位移傳感器探頭安裝在右端蓋上，處于轉軸的軸心線上，檢測轉軸的軸向位移；徑向輔助軸承固定在右端蓋中；右端4個徑向位移傳感器探頭沿圓周均勻分布、固定在右端蓋與交直流三自由度主動磁軸承之間的右端傳感器支架上，檢測轉軸右端徑向兩個自由度的位移；高速主軸電機左右兩側分別安裝有限位套筒，高速主軸電機左側的限位套筒左端緊靠交流二自由度主動磁軸承，高速主軸電機右側的限位套筒右端緊靠交直流三自由度主動磁軸承；左端傳感器支架緊靠左端蓋，左端4個徑向位移傳感器探頭沿圓周均勻分布、固定在左端傳感器支架上，檢測轉軸左端徑向2個自由度的位移；在交流二自由度主動磁軸承與左端傳感器支架之間也安裝有限位套筒進行限位；徑向-軸向輔助軸承安裝在左端蓋中。

本實用新型的第二種技術方案是：