[发明专利]一种逆变器驱动型五自由度混合磁轴承支承电主轴

说明书

技术领域

本发明属于电气传动领域，涉及一种磁悬浮电主轴，特别是一种五自由度混合磁轴承支承电主轴，适用于高速、超高速、高精度的数控机床。

背景技术

当电主轴转速高时，传统的接触式轴承由于存在摩擦，带来了主轴温升高、产生热变形、振动加强、轴承寿命大大缩短等一系列问题。磁悬浮轴承（简称磁轴承）利用电磁力将转子悬浮于空中，使转子与定子间没有接触，具有无摩擦、无磨损、无需润滑油、可支承转速高、转子位移可动态调节、回转精度高、寿命长等优点，非常适合高速电主轴对高速、高精度、长寿命的要求，并且可以对转轴位置进行实时监测，也可以对转轴振动进行主动抑制。磁轴承按照能控制的自由度数可以分为单自由度磁轴承（轴向磁轴承）、二自由度磁轴承（径向磁轴承）和三自由度磁轴承（径向-轴向磁轴承）。按照悬浮力产生的方式可以分为主动磁轴承（悬浮力由线圈电流产生）、被动磁轴承（悬浮力由永磁体产生）和混合磁轴承（悬浮力由永磁体和线圈电流共同产生）。

目前磁悬浮电主轴的研究大都针对直流功率放大器驱动的四极或八极结构的磁轴承，而直流功率放大器的体积大、功耗大、电路需要专门设计、成本高，因此中国专利申请号为CN200810234272的文献中公开了一种交流磁轴承支承的高速电主轴系统，交流磁轴承由三相功率逆变器驱动，三相逆变器功耗低、技术成熟、成本低，并且有专门的控制芯片，因此可以大大降低开发周期，但该电主轴采用的是主动形式的三极磁轴承，三极主动磁轴承不仅需要线圈提供偏置磁场，体积大，功耗大，而且其非线性和耦合非常强，不利于精确控制。

发明内容

本发明的目的是为了减小功耗、提高承载力、提高五自由度磁轴承的悬浮力特性，从而提高控制精度，提出了一种逆变器驱动型五自由度混合磁轴承支承电主轴。

本发明一种逆变器驱动型五自由度混合磁轴承支承电主轴采用的技术方案是：包括一个转轴，转轴的中部装有电机、电机的前侧是六极径向-轴向混合磁轴承、后侧是六极径向混合磁轴承，转轴与六极径向-轴向混合磁轴承的转子和六极径向混合磁轴承的转子均同轴心固定连接。

六极径向-轴向混合磁轴承的转子同轴套在由径向定子轭和径向磁极组成的径向定子的中心处，径向定子轭沿圆周方向均匀布置6个径向磁极，每个径向磁极上均缠绕径向控制线圈，面对面的两个径向控制线圈缠绕方向一致且串联；径向定子外固定套接圆环形的永磁体，永磁体外固定套接轴向定子；轴向定子是两端具有圆盘端盖的圆筒形结构，圆盘端盖的中心处向转子的对应的两端方向延伸轴向磁极；在径向定子的前后两侧旁各设置一个轴向控制线圈，两个轴向控制线圈相互串联。

六极径向混合磁轴承的转子外同轴套有定子，定子由定子轭、三个主动磁极和三个永磁磁极组成，主动磁极和永磁磁极相互交错布置，每个主动磁极上均缠绕有一个控制线圈，每个永磁磁极的中间固定镶嵌一块永磁体。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用一个六极径向-轴向混合磁轴承和一个六极径向混合磁轴承来支承转轴的五个自由度，使转轴无摩擦旋转，有利于转速的提升。并且六极径向-轴向混合磁轴承和六极径向混合磁轴承都由永磁体提供偏置磁通，大大减小了功耗，六极径向-轴向混合磁轴承在径向采用六极结构，与现有的逆变器驱动式混合磁轴承相比，使得悬浮力特性的非线性和耦合大大减小，更易于实现精确控制，径向采用三相功率逆变器驱动，减小了驱动系统的体积和成本。

附图说明

图1是本发明一种逆变器驱动型五自由度混合磁轴承支承电主轴的整体结构示意图；

图2是图1中六极径向-轴向混合磁轴承的径向结构示意图；

图3是图2中六极径向-轴向混合磁轴承的轴向结构示意图；

图4是图1中六极径向混合磁轴承的的径向结构示意图；

图5是图4中六极径向混合磁轴承的的轴向结构示意图；

图中：1.转轴；2.电机；3.六极径向-轴向混合磁轴承；4.六极径向混合磁轴承；5.位移传感器；6.机壳；7.辅助轴承；8.端盖；9.金属圆盘；31.转子；32.轴向定子；33.径向定子；34.径向控制线圈；35.轴向控制线圈；36.永磁体；41.主动磁极；42.永磁磁极；43.定子轭；44.控制线圈；45.永磁体；46.转子；91.偏置磁通；92.轴向控制磁场；93.径向控制磁通；321.轴向磁极；322.圆盘端盖；331. 径向定子轭；332.径向磁极。

具体实施方式