专利名称：机床永磁同步电主轴的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机床主轴，特别是一种采用改变定子绕组连接方式进行调速
的低速大转矩宽调速永磁同步电动机进行驱动的机床永磁同步电主轴，它的调速范围为 0. Irpm—6000rpm，在低速时额定转矩不小于300Nm。属于机床电主轴技术领域。
背景技术：
现有机床主轴要求在低速时能够平稳提供大转矩，且要求调速范围很宽。目前，机床主轴的驱动方式有机械式和电主轴两种，机械式驱动的动力传递方式为异步电动机通过减速机，把动力传递给机床主轴，实现机床的车、铣、磨、镗等相应功能。机械式驱动的机床主轴工作条件比较复杂，在选配异步电动机时，不得不选用功率较大的电机进行驱动，以防机床主轴在工作时堵转。当异步电动机驱动机床主轴时，大部分时间工作在轻载状态，其功率因数和效率很低，加上有减速机的存在使得系统效率更低，且需要对整个减速机构定期润滑维护，同时还存在整个传递机构体积大的问题。由于机械式驱动存在上述种种弊端， 直接驱动的电主轴越来越受到人们的重视与青睐。电主轴取消了减速机，主轴和电机成为一个整体，使得传动效率比机械式大大提高，但是国内的机床电主轴多为异步电动机，依然存在轻载效率低的问题。国外现有机床永磁同步电主轴都为内转子结构，价格昂贵，且需定期维护，维护费用很高，故很少被采用。机床主轴的驱动性质为恒功率性质，即低速时所需转矩大，随着转速升高所需转矩变小，需要永磁同步电主轴弱磁升速以满足负载要求。对永磁同步电动机磁场的调节需通过调节定子电流，即用增加定子直轴去磁电流分量来维持高速运行，达到弱磁升速的目的。因永磁同步电动机的磁场主要由永磁体产生，其气隙长度一般大于同规格感应电动机的气隙长度，故导致永磁同步电动机直轴电感小，弱磁能力不足，电动机弱磁调速范围有限。因此，为了满足调速要求，现有机床电主轴在设计时，主要以机床主轴所需的低速大转矩和高速转速分别作为电主轴的额定转矩和额定转速进行设计，机床永磁同步电主轴实际运行状态为恒转矩运行，造成电主轴在高速时转矩浪费，使得机床永磁同步电主轴的体积大，所用材料多，同时也使控制系统的容量变大。据专利文献报导，专利号为CN200520076779. 1的“一种宽频调速恒功率高速电主轴”，公开了利用磁通判断及弱磁环节改变电主轴的磁场，实现弱磁升速的结构。如果此电主轴的电机为异步电动机，则此电主轴没有解决异步电动机低速运行效率和功率因数低的问题，不适用低速运行。如果电主轴电机为永磁同步电动机，则仅靠调节定子电流来改变永磁同步电机的气隙磁场，进而调节电主轴的转速范围那是很有限的。专利号为 CN200920031904. 5的“一种车床用永磁同步电主轴”，公布了一种永磁同步电动机为内转子的结构，其定子绕组为普通绕组，存在调速范围不够宽的缺点，且反馈传感器直接装在了车床主轴上，使得反馈传感器体积大，成本高。同时，此永磁同步电动机与机床主轴为固定连接结构，永磁同步电动机不是独立的，存在永磁同步电动机与机床主轴无法分离而同时报废造成浪费的问题。专利申请号为CN200910104697.6的“数控机床电主轴”，此电主轴的电机仍为内转子结构，转子通过涨紧装置与主轴连接，电机也不是独立的，依然存在电机更换维护困难，导致浪费的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种机床永磁同步电主轴，它解决了传统机械式和现有电主轴动力传递方式存在的调速范围有限，易导致浪费等问题，具有设计合理，结构简单，体积小，效率高，调速范围宽，成本低，节能，运行安全可靠，安装和维护方便等优点。本发明所采用的技术方案是该机床永磁同步电主轴包括主轴和组装在主轴上的低速大转矩宽调速永磁同步电动机，其技术要点是所述主轴通过法兰盘和销轴与所述低速大转矩宽调速永磁同步电动机组装在一起，所述低速大转矩宽调速永磁同步电动机包括壳体、组装在所述壳体上的带有绕组的定子铁心、转子以及编码器，其中与套装于所述主轴上的轴套连接在一起的所述转子的内周贴附永磁体，且置于所述定子铁心的外部，所述轴套利用前、后轴承和轴承内、外环挡圈组装在所述壳体的轴孔内，并通过固定在所述壳体的前、后轴承压盖压紧，进行轴向限位，利用绕组调速装置控制所述定子铁心的绕组的连接， 完成速度段选择的有级调速和实现单一速度段内的无级变频调速。所述低速大转矩宽调速永磁同步电动机的实现所述转子位置检测的所述编码器与从动同步齿轮同轴连接，所述从动同步齿轮通过同步齿形带与组装在主轴上的主动同步齿轮连接，同步旋转。设置在所述低速大转矩宽调速永磁同步电动机的所述转子上的通风散热用的通风孔与固定在所述壳体上的左、右风机相连通。所述低速大转矩宽调速永磁同步电动机的控制所述定子铁心的绕组连接的所述绕组调速装置包括控制单元、继电器单元、接触器单元和驱动单元，由具有逻辑管理功能的 32位ARM芯片，具有速度调节、转矩调节、变频驱动控制功能的矢量运算芯片，通过人机接口和I/O接口组成所述控制单元；由光电隔离开关、三极管和继电器组成所述继电器单元； 所述控制单元驱动所述继电器单元控制接触器单元，执行逻辑驱动控制指令，对所述低速大转矩宽调速永磁同步电动机的速度段进行选择，并使所述绕组每相串联线圈组数在N、 N-I、N-2··· 2、1之间的变换，实现所述低速大转矩宽调速永磁同步电动机转速在η、ηΧ N/ (N-I) ,ηXN/ (Ν-2) "τιΧΝ/^ηΧΝ转速段间切换，完成速度段选择的有级调速，其中N为大于0的整数自然数，η为所述绕组每相串联线圈组数为N时的额定转速；所述控制单元同时驱动由整流桥、电解电容、电源板和逆变单元组成的实现所述低速大转矩宽调速永磁同步电动机在单一速度段内无级变频调速的所述驱动单元。本发明具有的优点及积极效果是该机床永磁同步电主轴采用法兰盘和销轴与低速大转矩宽调速永磁同步电动机组装在一起，而低速大转矩宽调速永磁同步电动机利用绕组调速装置控制定子铁心的绕组的连接，完成速度段选择的有级调速和实现单一速度段内的无级变频调速，所以避免了用加大定子直轴电流的方式弱磁升速，减小了永磁同步电动机的功率和体积，同时降低了变频器及控制系统的容量，具有低速大转矩、调速范围宽、效率高的优点。另外，它取消了齿轮减速机结构，解决了恒功率负载传统间接驱动方式和现有直接驱动方式存在的转矩浪费，调速范围窄等问题。又因低速大转矩宽调速永磁同步电动机转子采用与套于主轴上的轴套连接在一起的内周贴附永磁体的外转子中空独立结构，并通过左、右轴承和轴承内、外环挡圈组装在壳体的轴孔内，使转子与轴套内套构成双支撑机构，可让组装在外转子中的电主轴不承受转矩，只承受径向负荷，改善电主轴的受力条件， 转子与机床主轴完全分离，使得电主轴安装方便，维护简单。故其设计合理，结构简单，电主轴的转动惯量大，机械特性硬，有利于在机床运转过程中负载突变时，电主轴转速稳定，保证了工件的加工质量。同时，该永磁同步电主轴的转矩密度大，体积小，节省材料，同时减小了变频器及控制系统的容量，使机床永磁同步电主轴达到节能，运行安全可靠，安装和维护方便的目的，因此，该机床永磁同步电主轴易于推广应用。
以下结合附图对本发明作进一步描述。
图1为一种机床永磁同步电主轴结构图； 图2为一种机床永磁同步电主轴A向视图3是图1中绕组的一种调速装置的控制原理框图； 图4是图3中继电器单元的一种继电器(Yl)控制电路图； 图5是图3中继电器单元与接触器单元的控制原理图； 图6是图3中的定子铁心的绕组连接原理图； 图7是图3中驱动单元电路图。图中序号说明1主轴、2法兰盘、3销轴、4转子、5螺栓、6轴套、7前轴承压盖、8前轴承、9永磁体、10定子铁心、11键、12壳体、13轴承外环挡圈、14轴承内环挡圈、15后轴承、 16后轴承压盖、17主动同步齿轮、18同步齿形带、19从动同步齿轮、20编码器、21压板、22 通风孔、23过滤网、对左风机、25右风机J6控制单元、27继电器单元、观接触器单元、四绕组、30驱动单元、31光电隔离开关、32三极管、33继电器、34整流桥、35电解电容、36电源板、37逆变单元。
具体实施例方式根据图1 7详细说明本发明的具体结构。该机床永磁同步电主轴采用改变定子绕组连接方式进行调速的低速大转矩宽调速永磁同步电动机进行驱动，它的调速范围为 0. Irpm—6000rpm，在低速时额定转矩不小于300Nm。机床永磁同步电主轴包括主轴1和组装在主轴1上的低速大转矩宽调速永磁同步电动机。其中主轴1通过法兰盘2和销轴3与低速大转矩宽调速永磁同步电动机组装在一起。低速大转矩宽调速永磁同步电动机包括壳体12、组装在壳体12上的带有绕组四的定子铁心10、转子4以及编码器20等部件。其中转子4采用外转子中空结构，内周贴附永磁体7的转子4与套装于主轴1上的轴套6通过螺栓5连接在一起，置于定子铁心10的外部。定子铁心10通过键11与壳体12连接，以传递扭矩。并由固定在壳体12上的调节螺钉和固定在前轴承压盖7上的压板21将定子铁心 10压紧，以控制定子铁心10的轴向窜动。轴套6利用前、后轴承8、15和轴承内、外环挡圈 14、13组装在壳体12的轴孔内，使转子4与轴套6构成双支撑机构，通过固定在壳体12的前、后轴承压盖7、16压紧，并进行轴向限位。因此，可使组装在外转子中的主轴1不承受转矩，只承受径向负荷，改善主轴1的受力条件。主动同步齿轮17组装在主轴1上，通过同步齿形带18带动从动同步齿轮19旋转，编码器20与从动同步齿轮19同轴连接，同步旋转，实现转子4位置的检测。设置在转子4上的通风散热用的带有过滤网23的通风孔22与固定在壳体12上的左风机M和右风机25相连通，同时向电动机内鼓风，鼓入的风从带有过滤网23的通风孔22排出。由于可以充分利用设置在转子4上的设计独特的通风孔22的通风散热作用，所以有效地降低了电动机的温升，从而提高其运行性能。该低速大转矩宽调速永磁同步电动机所采用的调速方式为利用绕组调速装置控制定子铁心10的绕组四的连接，完成速度段选择的有级调速和实现单一速度段内的无级变频调速。该交流永磁同步电动机绕组调速装置包括控制单元沈、继电器单元27、接触器单元28和驱动单元30。其中控制单元沈由具有逻辑管理功能的32位ARM(Advanced RISC Machines)芯片和具有速度调节、转矩调节、变频驱动控制功能的矢量运算芯片等，通过人机接口和I/O接口组成。执行逻辑驱动控制指令的继电器单元27由光电隔离开关31、三极管32和继电器33等组成。 控制单元沈驱动继电器单元27控制接触器单元观，对绕组四的速度段进行选择，并使绕组四每相串联线圈组数在Ν、Ν-1、Ν-2···2、1之间的变换，实现低速大转矩宽调速永磁同步电动机的转速在η、ηΧ N/ (N-l), nXN/ (Ν_2)…ηΧΝ/2、ηΧΝ转速段间切换，完成所选择速度段的有级调速。控制单元沈同时驱动由整流桥34、电解电容35、电源板36和逆变单元37等组成的驱动单元，以实现低速大转矩宽调速永磁同步电动机在单一速度段内的无级变频调速。控制单元沈在发出选择速度段指令选定单一速度段时，通过矢量运算芯片发出驱动控制指令给驱动单元30的电源板36，驱动单元30中的整流桥34把三相交流电整流成直流电，电解电容35起到直流滤波的作用，逆变单元37根据电源板36接收到的矢量运算芯片指令，把直流电逆变为交流电驱动低速大转矩宽调速永磁同步电动机运转，实现单一速度段内无级调速。继电器单元27由Y1、Υ2、TO…YN等N个继电器控制电路组成，其中一个继电器(如 Yl)控制电路由电阻R1、R2、R3、光电隔离开关31、三极管32和继电器33 (Yl)等组成。其余继电器控制电路与Yl控制电路相同。接触器单元观由ΚΜ1、ΚΜ2、ΚΜ3···ΚΜΝ等N个接触器组成。本实施例中的N为为大于0的整数自然数，η为绕组四每相串联线圈组数为N时的额定转速。一般情况下N不大于16，N大于16的实际应用很少。当上述绕组四每相串联线圈组数在Ν、Ν-1、Ν-2··· 2、1之间变换，每相串联线圈组数为1时，控制单元沈通过I/O接口发出低电平信号给继电器单元27，继电器单元27中的光电隔离开关31导通，驱动三极管32导通，继电器33 (Yl)闭合，其余继电器Υ2，^？… YN全部断开，接触器KMl闭合，其余接触器ΚΜ2，ΚΜ3···ΚΜΝ全部断开，实现每相串联组数为 1的绕组四连接，即三相绕组中只有绕组U1、V1和Wl中有电流，其余绕组U2、U3…UN，V2、 V3…VN和W2、W3…WN全部断开，此时低速大转矩宽调速永磁同步电动机额定运行转速为 nXN。以此类推，实现每相串联组数为2、…N-2、N-1、N的绕组四连接。这样就实现了低速大转矩宽调速永磁同步电动机转速在ηXN/2，nXN/ (N-2)，nX N/ (N-I) ···!!转速段间切换，实现速度段选择的有级调速。
权利要求
1.一种机床永磁同步电主轴，包括主轴和组装在主轴上的低速大转矩宽调速永磁同步电动机，其特征在于所述主轴通过法兰盘和销轴与所述低速大转矩宽调速永磁同步电动机组装在一起，所述低速大转矩宽调速永磁同步电动机包括壳体、组装在所述壳体上的带有绕组的定子铁心、转子以及编码器，其中与套装于所述主轴上的轴套连接在一起的转子的内周贴附永磁体，且置于所述定子铁心的外部，所述轴套利用前、后轴承和轴承内、外环挡圈组装在所述壳体的轴孔内，并通过固定在所述壳体的前、后轴承压盖压紧，进行轴向限位，利用绕组调速装置控制所述定子铁心的绕组的连接，完成速度段选择的有级调速和实现单一速度段内的无级变频调速。
2.根据权利要求1所述的机床永磁同步电主轴，其特征在于所述低速大转矩宽调速永磁同步电动机的实现所述转子位置检测的所述编码器与从动同步齿轮同轴连接，所述从动同步齿轮通过同步齿形带与组装在主轴上的主动同步齿轮连接，同步旋转。
3.根据权利要求1所述的机床永磁同步电主轴，其特征在于设置在所述低速大转矩宽调速永磁同步电动机的所述转子上的通风散热用的通风孔与固定在所述壳体上的左、右风机相连通。
4.根据权利要求1所述的机床永磁同步电主轴，其特征在于所述低速大转矩宽调速永磁同步电动机的控制所述定子铁心的绕组连接的所述绕组调速装置包括控制单元、继电器单元、接触器单元和驱动单元，由具有逻辑管理功能的32位ARM芯片，具有速度调节、转矩调节、变频驱动控制功能的矢量运算芯片，通过人机接口和I/O接口组成所述控制单元； 由光电隔离开关、三极管和继电器组成所述继电器单元；所述控制单元驱动所述继电器单元控制接触器单元，执行逻辑驱动控制指令，对所述低速大转矩宽调速永磁同步电动机的速度段进行选择，并使所述绕组每相串联线圈组数在N、N-1、N-2…2、1之间的变换，实现低速大转矩宽调速永磁同步电动机转速在n、nX N/ (N-I)、nXN/ (N-2) "mXNZ^nXN转速段间切换，完成速度段选择的有级调速，其中N为大于0的整数自然数，η为所述绕组每相串联线圈组数为N时的额定转速；所述控制单元同时驱动由整流桥、电解电容、电源板和逆变单元组成的实现低速大转矩宽调速永磁同步电动机在单一速度段内无级变频调速的所述驱动单元。
全文摘要
一种机床永磁同步电主轴，它解决了现有技术存在的调速范围有限，易导致浪费等问题，包括主轴和组装其上的低速大转矩宽调速永磁同步电动机，其技术要点是主轴通过法兰盘和销轴与电动机组装在一起，该电动机包括壳体、带有绕组的定子铁心、转子以及编码器，与套装于主轴上的轴套连接在一起的转子的内周贴附永磁体，且置于定子铁心的外部，轴套利用前、后轴承和轴承内、外环挡圈组装在壳体的轴孔内，进行轴向限位，利用绕组调速装置控制定子铁心的绕组的连接，完成速度段选择的有级调速和实现单一速度段内的无级变频调速。具有设计合理，结构简单，体积小，效率高，调速范围宽，降低成本，节能，运行安全可靠，安装和维护方便等优点。
文档编号H02P6/08GK102151850SQ20111006821
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月22日 优先权日2011年3月22日
发明者徐广人 申请人:徐广人