一种五自由度永磁偏置磁悬浮电主轴

本发明涉及电机本体设计领域，尤其涉及一种五自由度永磁偏置磁悬浮电主轴，采用新型磁悬浮轴承支承技术，避免了机械轴承带来的摩擦磨损，提高了电主轴的工作转速和径向支承刚度，改善了电主轴的性能，可主动控制铣削加工过程中的振动问题。

背景技术：

1、高速电主轴相较于传统机床主轴，省去了额外传动装置，具有结构紧凑、转速高、噪音低及高能效的优点，近年备受瞩目与研究。其中，轴承作为电主轴的关键部件，影响着主轴的刚度和回转精度。与传统机械轴承相比，磁悬浮轴承具有更长的寿命、更高的转速、无需润滑及主动振动控制等优势，因此受到机床主轴行业的重视。主动磁悬浮轴承支承的电主轴完全依赖电磁线圈产生的磁场来支承主轴，在铣、磨工艺中，高电流导致电主轴过热。此外，低速或启动时，电磁支承的稳定性不足，轴承碰摩会损害主轴精度和稳定性。虽然采用现有的永磁偏置磁轴承支撑机床主轴可降低主轴功耗和发热现象。但现有永磁偏置磁轴承在调节悬浮力和刚度方面的灵活性较低，且现有永磁偏置磁轴承的磁场泄露问题也会对主轴的旋转精度造成影响。除此之外，磁悬浮轴承的承载能力低于机械轴承，制约了加工效率。为满足机床加工的高速高精度需求，并提高电主轴的刚度和可靠性，有必要开发一种低功耗、高效、稳定且高承载的磁悬浮电主轴系统。

2、磁悬浮电主轴支承系统由径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承构成。为优化电主轴性能和可靠性，已研制不同结构的磁悬浮轴承应用于磁悬浮电主轴。授权发明专利cn102921971b所述的一种五自由度数控机床高速磁悬浮电主轴，利用两个相同的三自由度交直流混合磁悬浮轴承支承机床主轴，结构简单，功耗较低，虽然双推力盘结构布局加强了其轴向刚度，但其面对铣削和磨削等径向载荷较高的工况下，较小的径向载荷使其应用具有局限性。授权发明专利cn105864293b所述的一种集成化的五自由度磁悬浮电主轴，将机床主轴的轴向磁悬浮轴承、径向磁悬浮轴承集成和电机集成在一起，使其结构更加紧凑，增强了铁心利用率，增强了系统的输出功率。但其复杂的磁路系统可能导致磁路耦合和过热，粗短主轴在高切削负载下易产生振动，影响加工稳定性。申请发明专利cn113199040a一种纯风冷高速高精度大功率小型化磁悬浮电主轴，利用2个径向磁悬浮轴承加一个轴向磁悬浮轴承控制机床主轴的稳定悬浮，为降低工作状态下磁悬浮轴承产生的热量，利用定子翘片散热器对电主轴进行冷却，但磁轴承的低径向承载刚度限制了电主轴的应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种径向和轴向承载力高、结构简单、功耗低、可靠性高的一种五自由度永磁偏置磁悬浮电主轴。

2、本发明的技术解决方案：一种五自由度永磁偏置磁悬浮电主轴，主要由转子系统和定子系统组成。转子系统主要包括：主轴轴心、前传感器检测环、径向磁悬浮轴承转子压板、径向磁悬浮轴承导磁环a、径向磁悬浮轴承隔磁环、径向磁悬浮轴承导磁环b、径向磁悬浮轴承转子l型压块、电机永磁体、永磁体安装套环、电机转子护套、电机转子压板、后传感器检测环、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向隔磁环a、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向导磁环、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向隔磁环b、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承第一永磁体、第一永磁体护套、磁悬浮轴承推力盘、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承轴向位移监测螺钉；定子系统主要包括轴向电涡流位移传感器、后保护轴承、后保护轴承支座、轴向磁悬浮轴承定子、轴向磁悬浮轴承线圈、轴向磁悬浮轴承定子磁极、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承第二永磁体、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向定子磁极、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向定子压板、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向定子线圈、后径向电涡流位移传感器压板、后径向电涡流位移传感器支架、后径向电涡流位移传感器、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承l型压块、电机定子线圈、电机定子、电机散热装置、电机定子支架、右径向磁悬浮轴承定子、右径向磁悬浮轴承定子压块、径向磁悬浮轴承永磁体、左径向磁悬浮轴承定子压块、左径向磁悬浮轴承定子、径向磁悬浮轴承定子挡板、径向磁悬浮轴承定子l型压块、前径向电涡流位移传感器、前径向电涡流位移传感器支架、前保护轴承支座、前保护轴承、电主轴前端盖和电主轴外壳；主轴轴心用于连接机床刀柄，位于其左端径向外侧的部件有：前传感器检测环、径向磁悬浮轴承转子压板、径向磁悬浮轴承导磁环、径向磁悬浮轴承隔磁环、径向磁悬浮轴承导磁环和径向磁悬浮轴承转子l型压块；其中，前传感器检测环、径向磁悬浮轴承转子压板、径向磁悬浮轴承导磁环a、径向磁悬浮轴承隔磁环和径向磁悬浮轴承导磁环b通过过盈配合安装在径向磁悬浮轴承转子l型压块上，构成径向磁悬浮轴承转子组件。径向磁悬浮轴承转子l型压块通过过盈配合安装在主轴轴心的左端径向外侧，而前传感器检测环则直接通过过盈配合安装在主轴轴心上，并压紧径向磁悬浮轴承转子组件；电机永磁体、永磁体安装套环和电机转子护套位于主轴轴心的中部径向外侧，电机永磁体粘贴在永磁体安装套环上，并通过电机转子护套压紧，永磁体安装套环通过过盈配合将电机永磁体和电机转子护套安装在主轴轴心上，电机转子压板位于永磁体安装套环和电机转子护套的右端，通过过盈配合安装在主轴轴心上，并压紧永磁体安装套环和电机转子护套；后传感器检测环位于电机转子压板的右端，并通过过盈配合安装在主轴轴心的右部径向外侧，三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向隔磁环a、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向导磁环、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向隔磁环b、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承第一永磁体、第一永磁体护套和磁悬浮轴承推力盘位于主轴轴心的右部径向外侧，三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向隔磁环a、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向导磁环和三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向隔磁环b通过过盈配合安装在磁悬浮轴承推力盘上，三自由度永磁偏置磁悬浮轴承第一永磁体粘贴在磁悬浮轴承推力盘的径向外侧凹槽内，并通过第一永磁体护套压紧。磁悬浮轴承推力盘通过过盈配合安装在主轴轴心的右部径向外侧；三自由度永磁偏置磁悬浮轴承轴向位移监测螺钉通过螺栓配合安装在主轴轴心上的右侧轴向端部，轴向电涡流位移传感器位于三自由度永磁偏置磁悬浮轴承轴向位移监测螺钉的右端，用于检测器振动位移；后保护轴承位于三自由度永磁偏置磁悬浮轴承轴向位移监测螺钉的左端，并位于主轴轴心上的右侧径向端部，后保护轴承安装在后保护轴承支座上，并通过螺栓连接固定在轴向磁悬浮轴承定子上，轴向磁悬浮轴承线圈绕制于轴向磁悬浮轴承定子的凹槽内，并利用轴向磁悬浮轴承定子磁极将其压紧，轴向磁悬浮轴承定子和轴向磁悬浮轴承定子磁极分别分布在磁悬浮轴承推力盘的轴向右端和轴向左端；三自由度永磁偏置磁悬浮轴承第二永磁体位于轴向磁悬浮轴承定子磁极的左端，三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向定子磁极和三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向定子压板位于三自由度永磁偏置磁悬浮轴承第二永磁体的左端，三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向定子线圈绕至于三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向定子磁极上，后径向电涡流位移传感器压板上装有后径向电涡流位移传感器支架，后径向电涡流位移传感器通过铰孔安装在后径向电涡流位移传感器支架上，轴向磁悬浮轴承定子、轴向磁悬浮轴承定子磁极、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承第二永磁体、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向定子压板、后径向电涡流位移传感器压板通过过盈配合安装在三自由度永磁偏置磁悬浮轴承l型压块上；电机定子线圈绕制于电机定子上，电机定子位于电机转子护套的径向外侧，并安装在电机散热装置上，电机散热装置安装在电机定子支架上；右径向磁悬浮轴承定子位于径向磁悬浮轴承导磁环b的径向外侧，并通过环氧树脂胶安装在右径向磁悬浮轴承定子压块上，径向磁悬浮轴承永磁体位于右径向磁悬浮轴承定子压块的轴向左端，左径向磁悬浮轴承定子压块位于径向磁悬浮轴承永磁体的轴向左端，左径向磁悬浮轴承定子位于径向磁悬浮轴承导磁环a的径向外侧，并通过环氧树脂胶安装在左径向磁悬浮轴承定子压块上，径向磁悬浮轴承定子挡板压紧左径向磁悬浮轴承定子压块和左径向磁悬浮轴承定子，并通过过盈配合安装在径向磁悬浮轴承定子l型压块上，前径向电涡流位移传感器位于前传感器检测环的径向外侧，并通过铰孔安装在前径向电涡流位移传感器支架上，前径向电涡流位移传感器支架位于径向磁悬浮轴承定子挡板的径向内侧，并通过环氧树脂胶安装在前保护轴承支座上，前保护轴承支座径向内侧装有前保护轴承，电主轴前端盖通过螺栓连接将前保护轴承支座安装在径向磁悬浮轴承定子挡板上，三自由度永磁偏置磁悬浮轴承l型压块、电机定子支架和径向磁悬浮轴承定子l型压块固定在电主轴外壳上。

3、进一步的，前传感器检测环、径向磁悬浮轴承转子压板、径向磁悬浮轴承导磁环a、径向磁悬浮轴承隔磁环、径向磁悬浮轴承导磁环b和径向磁悬浮轴承转子l型压块共同构成径向磁悬浮轴承转子组件；右径向磁悬浮轴承定子、右径向磁悬浮轴承定子压块、径向磁悬浮轴承永磁体、左径向磁悬浮轴承定子压块、左径向磁悬浮轴承定子、径向磁悬浮轴承定子挡板和径向磁悬浮轴承定子l型压块构成径向磁悬浮轴承定子组件；右径向磁悬浮轴承定子和左径向磁悬浮轴承定子均采用四极磁悬浮轴承结构，且两定子磁极之间的相位相差45°。

4、进一步的，径向磁悬浮轴承的偏置磁通回路为：径向磁悬浮轴承永磁体、左径向磁悬浮轴承定子压块、左径向磁悬浮轴承定子、径向磁悬浮轴承导磁环a、径向磁悬浮轴承转子l型压块、径向磁悬浮轴承导磁环b、右径向磁悬浮轴承定子、右径向磁悬浮轴承定子压块和径向磁悬浮轴承永磁体；左径向磁悬浮轴承的控制磁通回路为：左径向磁悬浮轴承定子、径向磁悬浮轴承导磁环a和左径向磁悬浮轴承定子；右径向磁悬浮轴承的控制磁通回路为：右径向磁悬浮轴承定子、径向磁悬浮轴承导磁环b和右径向磁悬浮轴承定子。

5、进一步的，前传感器检测环、径向磁悬浮轴承转子压板和径向磁悬浮轴承隔磁环为黄铜材料，径向磁悬浮轴承导磁环a、径向磁悬浮轴承导磁环b、径向磁悬浮轴承转子l型压块、右径向磁悬浮轴承定子和左径向磁悬浮轴承定子为硅钢片材料，右径向磁悬浮轴承定子压块和左径向磁悬浮轴承定子压块为dt4c材料。

6、进一步的，电机永磁体采用双极结构，材料为钕铁硼合金。永磁体安装套环和电机转子护套均采用tc-4材料。

7、进一步的，后传感器检测环、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向隔磁环a、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向导磁环、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向隔磁环b、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承第一永磁体、第一永磁体护套、磁悬浮轴承推力盘和三自由度永磁偏置磁悬浮轴承轴向位移监测螺钉组成三自由度永磁偏置磁悬浮轴承转子组件；轴向电涡流位移传感器、轴向磁悬浮轴承定子、轴向磁悬浮轴承线圈、轴向磁悬浮轴承定子磁极、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承第二永磁体、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向定子磁极、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向定子压板、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向定子线圈、后径向电涡流位移传感器压板、后径向电涡流位移传感器支架、后径向电涡流位移传感器)和三自由度永磁偏置磁悬浮轴承l型压块共同构成三自由度永磁偏置磁悬浮轴承定子组件。

8、进一步的，三自由度永磁偏置磁悬浮轴承的偏置磁通第一回路为：三自由度永磁偏置磁悬浮轴承第二永磁体、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向定子压板、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向定子磁极、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向导磁环、磁悬浮轴承推力盘、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承第一永磁体、磁悬浮轴承推力盘、轴向磁悬浮轴承定子磁极和三自由度永磁偏置磁悬浮轴承第二永磁体；三自由度永磁偏置磁悬浮轴承的偏置磁通第二回路为：三自由度永磁偏置磁悬浮轴承第二永磁体、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向定子压板、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向定子磁极、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向导磁环、磁悬浮轴承推力盘、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承第一永磁体、磁悬浮轴承推力盘、轴向磁悬浮轴承定子、轴向磁悬浮轴承定子磁极和三自由度永磁偏置磁悬浮轴承第二永磁体。

9、进一步的，三自由度永磁偏置磁悬浮轴承的径向控制磁通回路为：三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向定子磁极、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向导磁环、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向定子压板和三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向定子磁极；进一步的，三自由度永磁偏置磁悬浮轴承的轴向控制磁通为：轴向磁悬浮轴承定子、磁悬浮轴承推力盘、轴向磁悬浮轴承定子磁极和轴向磁悬浮轴承定子。

10、进一步的，后传感器检测环、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向隔磁环a、三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向隔磁环b和三自由度永磁偏置磁悬浮轴承轴向位移监测螺钉为黄铜材料；三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向导磁环和三自由度永磁偏置磁悬浮轴承径向定子磁极为硅钢片材料；三自由度永磁偏置磁悬浮轴承第一永磁体和三自由度永磁偏置磁悬浮轴承第二永磁体为钕铁硼材料；磁悬浮轴承推力盘、轴向磁悬浮轴承定子和轴向磁悬浮轴承定子磁极为dt4c材料。

11、本发明与现有技术相比的优点在于：(1)径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承均采用混合磁悬浮轴承构型，在主轴零负载运行工况下，主轴径向悬浮无需控制系统，解决了主轴在启动时的支承稳定性不足问题。(2)靠近切削区域的右径向磁悬浮轴承定子和左径向磁悬浮轴承定子采用4极构型，两个磁轴承定子排布相位相差45°，可以在径向上产生更加均匀的力分布。相较于传统8极磁轴承，两个独立的四极轴承制造和组装过程中更为简单、成本效益更高，且有助于更好的热分散，从而减少热量在轴上的传导。(3)三自由度永磁偏置磁悬浮轴承中，在磁悬浮轴承推力盘凹槽内添加了一个永磁体环，该永磁体可优化偏置磁路，同时增大轴向和径向偏置磁通，使其承载力得到加强。除此之外，降低了电磁与永磁之间的磁路耦合。磁悬浮轴承的刚度和可靠性得到进一步提升。