[发明专利]五自由度交流磁轴承支承的高速电主轴系统

说明书

技术领域

本发明属于机电传动设备控制技术领域，是一种非接触的磁悬浮旋转机械领域，特指五自由度交流磁轴承支承的高速电主轴系统，适用于各类高速高精旋转机械的五自由度悬浮支承，可用于真空技术、纯净洁室、无菌车间以及腐蚀性介质或非常纯净介质的传输等特殊场合，在高速高精数控机床、机械制造工业、生命科学、航空航天等领域具有无可替代的应用价值。

背景技术

磁轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间，实现了转子与定子之间无机械接触的高科技机电一体化产品。磁轴承支承的电机传动系统具有转速高、功耗低、无摩擦、无磨损、无需润滑和密封、寿命长等特点，可用于真空技术、纯净洁室和无菌车间等特殊场合。

电主轴是将电机套装在旋转机械主轴上，实现电机直接带动旋转机械主轴旋转的零传动机械系统。由于电主轴实现了无齿轮、联轴节、皮带等中间传动装置和变速机构，所以大大简化了旋转机械的结构，消除了由于中间传动装置和变速机构引起的振动、机械摩擦、机械噪音和能量损耗，提高了旋转机械的控制精度和机械效率。

因此，将磁轴承支承技术应用到旋转机械电主轴上成为了上世纪70年代至今的一个研究热点。1977年S2M公司开发了世界上第一台高速机床用的磁浮电主轴，并在1981年德国Hanover欧洲国际机床展览会上推出了B20/500磁浮电主轴系统，并在35000r/min转速下进行了钻、铣现场表演。随后瑞士、日本、美国、法国、德国和中国等国家的研究人员相继开展了对磁轴承支承的电主轴系统的研究。

传统的磁浮电主轴系统的转子由3个直流主动磁轴承来支承，其中2个径向磁轴承，每个径向磁轴承控制径向相互垂直的两个方向，另1个轴向推力磁轴承控制轴向自由度；采用直流控制，直流功率放大器价格高，体积大，1个径向磁轴承通常需要4路单极性(或2路双极性)功率放大电路，从而直接导致了磁轴承支承的电主轴系统体积大、功耗高、造价昂贵，大大限制了其应用领域，特别是在航空航天及军事应用领域。

发明内容

本发明的目的在于针对传统的五自由度磁浮电主轴系统的缺点，设计出一种结构紧凑、功耗低、制造成本低、能够稳定悬浮和稳定运行的电主轴系统。

本发明的目的还在于，对用于支承电主轴、实现电主轴在5个自由度上稳定悬浮的磁轴承结构与控制进行优化设计。在保证电主轴系统悬浮所需的承载力的前提下，设计出结构紧凑、功耗低、效率高的磁轴承，从而进一步缩小整个电主轴系统的体积、显著降低整个系统的功耗。设计出一种能够用于高速高精数控机床、机械制造工业、生命科学、航空航天等领域的五自由度交流磁轴承支承的高速电主轴系统。

实现本发明目的的技术方案有两种。

本发明的第一种技术方案是：

五自由度交流磁轴承支承的高速电主轴系统，包括压装在钢筒中的交直流三自由度主动磁轴承、高速主轴电机、交流二自由度主动磁轴承、转轴、右端盖和左端盖，高速主轴电机安装在转轴上，所述交直流三自由度主动磁轴承和交流二自由度主动磁轴承分别安装在高速主轴电机的左右两侧；轴向位移传感器探头安装在右端盖上，处于转轴的轴心线上，检测转轴的轴向位移；径向辅助轴承固定在右端盖中；右端4个径向位移传感器探头沿圆周均匀分布、固定在右端盖与交直流三自由度主动磁轴承之间的右端传感器支架上，检测转轴右端径向两个自由度的位移；高速主轴电机左右两侧分别安装有限位套筒，高速主轴电机左侧的限位套筒左端紧靠交流二自由度主动磁轴承，高速主轴电机右侧的限位套筒右端紧靠交直流三自由度主动磁轴承；左端传感器支架紧靠左端盖，左端4个径向位移传感器探头沿圆周均匀分布、固定在左端传感器支架上，检测转轴左端径向2个自由度的位移；在交流二自由度主动磁轴承与左端传感器支架之间也安装有限位套筒进行限位；径向-轴向辅助轴承安装在左端盖中。

本发明的第二种技术方案是：