[發明專利]一種逆變器驅動型五自由度混合磁軸承支承電主軸

在審

• 申請號: 201710079793.4
• 申請日: 2017-02-15
• 公開（公告）號: CN106825627A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 朱熀秋;鞠金濤;吳熙;陸榮華;丁泉
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: B23B19/02
• 分類號: B23B19/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于電氣傳動領域，涉及一種磁懸浮電主軸，特別是一種五自由度混合磁軸承支承電主軸，適用于高速、超高速、高精度的數控機床。

背景技術

當電主軸轉速高時，傳統的接觸式軸承由于存在摩擦，帶來了主軸溫升高、產生熱變形、振動加強、軸承壽命大大縮短等一系列問題。磁懸浮軸承（簡稱磁軸承）利用電磁力將轉子懸浮于空中，使轉子與定子間沒有接觸，具有無摩擦、無磨損、無需潤滑油、可支承轉速高、轉子位移可動態調節、回轉精度高、壽命長等優點，非常適合高速電主軸對高速、高精度、長壽命的要求，并且可以對轉軸位置進行實時監測，也可以對轉軸振動進行主動抑制。磁軸承按照能控制的自由度數可以分為單自由度磁軸承（軸向磁軸承）、二自由度磁軸承（徑向磁軸承）和三自由度磁軸承（徑向-軸向磁軸承）。按照懸浮力產生的方式可以分為主動磁軸承（懸浮力由線圈電流產生）、被動磁軸承（懸浮力由永磁體產生）和混合磁軸承（懸浮力由永磁體和線圈電流共同產生）。

目前磁懸浮電主軸的研究大都針對直流功率放大器驅動的四極或八極結構的磁軸承，而直流功率放大器的體積大、功耗大、電路需要專門設計、成本高，因此中國專利申請號為CN200810234272的文獻中公開了一種交流磁軸承支承的高速電主軸系統，交流磁軸承由三相功率逆變器驅動，三相逆變器功耗低、技術成熟、成本低，并且有專門的控制芯片，因此可以大大降低開發周期，但該電主軸采用的是主動形式的三極磁軸承，三極主動磁軸承不僅需要線圈提供偏置磁場，體積大，功耗大，而且其非線性和耦合非常強，不利于精確控制。

發明內容

本發明的目的是為了減小功耗、提高承載力、提高五自由度磁軸承的懸浮力特性，從而提高控制精度，提出了一種逆變器驅動型五自由度混合磁軸承支承電主軸。

本發明一種逆變器驅動型五自由度混合磁軸承支承電主軸采用的技術方案是：包括一個轉軸，轉軸的中部裝有電機、電機的前側是六極徑向-軸向混合磁軸承、后側是六極徑向混合磁軸承，轉軸與六極徑向-軸向混合磁軸承的轉子和六極徑向混合磁軸承的轉子均同軸心固定連接。

六極徑向-軸向混合磁軸承的轉子同軸套在由徑向定子軛和徑向磁極組成的徑向定子的中心處，徑向定子軛沿圓周方向均勻布置6個徑向磁極，每個徑向磁極上均纏繞徑向控制線圈，面對面的兩個徑向控制線圈纏繞方向一致且串聯；徑向定子外固定套接圓環形的永磁體，永磁體外固定套接軸向定子；軸向定子是兩端具有圓盤端蓋的圓筒形結構，圓盤端蓋的中心處向轉子的對應的兩端方向延伸軸向磁極；在徑向定子的前后兩側旁各設置一個軸向控制線圈，兩個軸向控制線圈相互串聯。

六極徑向混合磁軸承的轉子外同軸套有定子，定子由定子軛、三個主動磁極和三個永磁磁極組成，主動磁極和永磁磁極相互交錯布置，每個主動磁極上均纏繞有一個控制線圈，每個永磁磁極的中間固定鑲嵌一塊永磁體。

與現有技術相比，本發明的優點在于：本發明采用一個六極徑向-軸向混合磁軸承和一個六極徑向混合磁軸承來支承轉軸的五個自由度，使轉軸無摩擦旋轉，有利于轉速的提升。并且六極徑向-軸向混合磁軸承和六極徑向混合磁軸承都由永磁體提供偏置磁通，大大減小了功耗，六極徑向-軸向混合磁軸承在徑向采用六極結構，與現有的逆變器驅動式混合磁軸承相比，使得懸浮力特性的非線性和耦合大大減小，更易于實現精確控制，徑向采用三相功率逆變器驅動，減小了驅動系統的體積和成本。

附圖說明

圖1是本發明一種逆變器驅動型五自由度混合磁軸承支承電主軸的整體結構示意圖；

圖2是圖1中六極徑向-軸向混合磁軸承的徑向結構示意圖；

圖3是圖2中六極徑向-軸向混合磁軸承的軸向結構示意圖；

圖4是圖1中六極徑向混合磁軸承的的徑向結構示意圖；

圖5是圖4中六極徑向混合磁軸承的的軸向結構示意圖；

圖中：1.轉軸；2.電機；3.六極徑向-軸向混合磁軸承；4.六極徑向混合磁軸承；5.位移傳感器；6.機殼；7.輔助軸承；8.端蓋；9.金屬圓盤；31.轉子；32.軸向定子；33.徑向定子；34.徑向控制線圈；35.軸向控制線圈；36.永磁體；41.主動磁極；42.永磁磁極；43.定子軛；44.控制線圈；45.永磁體；46.轉子；91.偏置磁通；92.軸向控制磁場；93.徑向控制磁通；321.軸向磁極；322.圓盤端蓋；331. 徑向定子軛；332.徑向磁極。

具體實施方式