专利名称：五自由度交流磁轴承支承的高速电主轴系统的制作方法
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"J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I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，l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，从而进一步縮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fc;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
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高速主轴电机、两 个交流二自由度主动磁轴承、轴向主动磁轴承、转轴、右端盖和左端盖，高速主轴电机安 装在转轴上，所述两个交流二自由度主动磁轴承分别安装在高速主轴电机左右两侧，所述 轴向主动磁轴承安装在右侧交流二自由度主动磁轴承的右侧；径向辅助轴承和径向-轴向辅 助轴承分别安装在右端盖和左端盖中；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；轴向主动磁轴承紧靠右端盖安装，其左侧为右端传感器 支架，右端4个径向位移传感器探头沿圆周均匀分布、固定在右端传感器支架上，检测转轴 右端径向2个自由度的位移；高速主轴电机左右两侧均安装有限位套筒，右端的交流二自由 度主动磁轴承左端紧挨高速主轴电机右侧的限位套筒，左端的交流二自由度主动磁轴承右 端紧挨高速主轴电机左侧的限位套筒；右端传感器支架与右端的交流二自由度主动磁轴承之间安装有限位套筒，左端的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；左端4个径向位移传感器探头沿圆周均匀分布、固定在左端紧靠左端盖的左端传感 器支架上，检测转轴左端径向2个自由度的位移。
本发明的两种技术方案，采用了不同的机械结构，达到相同的技术目的。第一种技术 方案的机械结构主要由交直流三自由度主动磁轴承、高速主轴电机和交流二自由度主动磁 轴承和转轴构成；第二种技术方案的机械结构主要由2个交流二自由度主动磁轴承、高速主 轴电机、轴向主动磁轴承和转轴构成。
上述的交直流三自由度主动磁轴承，包括转轴、三自由度磁轴承转子、三自由度磁轴 承径向控制线圈、三自由度磁轴承径向定子、三自由度磁轴承轴向控制线圈和三自由度磁 轴承轴向定子；上述三自由度磁轴承转子由圆环形硅钢片叠压而成，套装在系统共用的转 轴上；三自由度磁轴承轴向定子采用2片X3极的双片式六极结构且用硅钢片叠压而成， 左右两侧每片三自由度磁轴承轴向定子具有沿圆周均匀分布的3个轴向定子磁极；左右2 个三自由度磁轴承轴向控制线圈分别紧靠左右2片轴向定子，置于内侧，通电产生三自由 度磁轴承轴向控制磁通；三自由度磁轴承径向定子具有3个沿圆周均匀分布的三自由度磁 轴承径向定子磁极，每个三自由度磁轴承径向定子磁极均处于轴向相对的2个三自由度磁 轴承轴向定子磁极之间，三自由度磁轴承径向定子也采用硅钢片叠压而成；3个三自由度 磁轴承径向控制线圈绕在3个三自由度磁轴承径向定子磁极上，采用三相交流功率逆变器 驱动控制，以产生三自由度磁轴承径向控制磁通。
上述的交流二自由度主动磁轴承，包括转轴、二自由度磁轴承转子、二自由度磁轴承径 向定子和二自由度磁轴承径向控制线圈；二自由度磁轴承转子由圆环形硅钢片叠压而成， 套装在系统共用的转轴上；二自由度磁轴承径向定子采用硅钢片叠压而成，具有沿圆周均 匀分布的3个二自由度磁轴承径向定子磁极；二自由度磁轴承径向控制线圈绕在3个二自 由度磁轴承径向定子磁极上，采用三相交流功率逆变器驱动控制，以产生径向控制磁通。
上述的钢筒由钢筒外套和钢筒内套构成，钢筒外套和钢筒内套之间具有用于系统水冷 散热的螺旋沟道。
上述的径向辅助轴承采用单滚珠轴承，径向-轴向辅助轴承釆用调心滚珠轴承，所有位 移传感器均采用电涡流位移传感器。
上述的交直流三自由度主动磁轴承径向控制线圈和交流二自由度主动磁轴承径向控制 线圈均采用三相功率逆变器进行驱动，而交直流三自由度主动磁轴承轴向控制线圈和轴向 主动磁轴承控制线圈采用直流开关功率放大器提供控制电流；采用霍尔电流传感器检测每个控制线圈中的电流。
本发明的有益效果在于
1. 与传统机械轴承支承的电主轴系统相比，本发明的五自由度交流磁轴承支承的高速 电主轴系统具有无需润滑、功耗低、对环境无污染、转速高、控制精度高、寿命长、稳定 性好等优点，实现了旋转机械系统高速、高精、成本低、实用性强的要求。
2. 采用高速主轴电机直接带动转轴高速旋转运行，实现了无齿轮、联轴节、皮带等中 间传动装置和变速机构，数控钻床、铣床、磨床等机床的刀具可直接安装在电主轴系统的 转轴上；因此，五自由度交流磁轴承支承的高速电主轴系统实现了电机与旋转主轴之间和 旋转主轴与刀具之间的双处零传动，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，提高了系统的控制精度和机械效率。
3. 传统直流式径向二自由度磁轴承需要4路单极性(或2路双极性)功率放大电路， 而本发明中的交直流三自由度主动磁轴承只用1个三相交流逆变器即可完全驱动控制径向 二自由度，同理交流二自由度主动磁轴承也只需要1个三相交流逆变器就能完全控制，因 而大大减小了系统功率放大电路的体积，降低了系统成本，显著降低了功率放大电路的功 耗，大大提高了系统的工作效率。
4. 采用电涡流位移传感器对旋转主轴位移进行差动检测，并采用高性能的数字信号处 理器DSP2812进行系统信息处理，提高了系统的控制精度，使得五自由度交流磁轴承支承 的高速电主轴系统易于实现高速高精的稳定运行。
图1为本发明实施例1五自由度交流磁轴承支承的高速电主轴系统机械结构示意图； 图2为本发明实施例1五自由度交流磁轴承支承的高速电主轴系统机械结构的主体部
件构成示意图3为本发明实施例2五自由度交流磁轴承支承的高速电主轴系统机械结构示意图； 图4为本发明实施例2五自由度交流磁轴承支承的高速电主轴系统机械结构的主体部 件构成示意图5为本发明实施例1中交直流三自由度主动磁轴承的轴向截面示意图及控制磁路示 意图6为图5中交直流三自由度主动磁轴承的A-A剖面左视图； 图7为图5中交直流三自由度主动磁轴承的B-B剖面右视图；图8为本发明实施例1和实施例2中交流二自由度主动磁轴承的径向截面示意图及控 制磁路示意图中l为右端盖，2为轴向位移传感器探头，3为转轴，4为径向辅助轴承，51为右 端传感器支架，52为左端传感器支架，61为右端径向位移传感器探头，62为左端径向位 移传感器探头，7为三自由度磁轴承转子，8为三自由度磁轴承径向控制线圈，9为三自由 度磁轴承径向定子，91、 92、 93为三自由度磁轴承径向定子磁极，IO为三自由度磁轴承轴 向控制线圈，11为三自由度磁轴承轴向定子，111、 112、 113为三自由度磁轴承轴向定子 磁极，121、 122、 123、 124为限位套筒，13为高速主轴电机转子，14为高速主轴电机定 子，15为钢筒外套，16为钢筒内套，17为二自由度磁轴承径向控制线圈，18为二自由度 磁轴承径向定子，181、 182、 183为二自由度磁轴承径向定子磁极，19为二自由度磁轴承 转子，20为径向-轴向辅助轴承，21为左端盖，22为轴向主动磁轴承定子，23为轴向主动 磁轴承控制线圈，24为轴向直流主动磁轴承转子，25为交直流三自由度主动磁轴承，26 为高速主轴电机，27为交流二自由度主动磁轴承，28为轴向直流主动磁轴承；带箭头的实 线29为三自由度磁轴承轴向控制磁通回路，带箭头的虚线30为三自由度磁轴承径向控制 磁通回路，带箭头的虚线31为二自由度磁轴承径向控制磁通回路。
具体实施例方式
下面结合实施例做进一步说明。
本发明首先设计出交直流三自由度主动磁轴承、交流二自由度主动磁轴承以及轴向主 动磁轴承的机械结构和磁路结构；然后设计出其它相关部件的机械结构，包括左右径向传 感器支架、左右端盖、钢筒和限位套筒，并选择单滚珠轴承作为径向辅助轴承、调心滚珠 轴承作为径向-轴向辅助轴承；轴向位移传感器和径向位移传感器均采用电涡流位移传感器 对系统5个自由度的位移进行检测，而交直流三自由度主动磁轴承、交流二自由度主动磁 轴承以及轴向主动磁轴承的控制线圈中的电流采用霍尔电流传感器进行检测；交直流三自 由度主动磁轴承和交流二自由度主动磁轴承的径向控制线圈均采用三相功率逆变器进行驱 动，而交直流三自由度主动磁轴承和轴向主动磁轴承的轴向控制线圈采用直流开关功率放 大器提供控制电流；最后采用TI公司的TMS320F2812 DSP、位移检测电路、电流检测电 路、三相功率逆变器驱动电路以及轴向开关功率放大电路以及五自由度交流磁轴承支承的 高速电主轴系统样机本体构建五自由度交流磁轴承支承的高速电主轴系统的位移、电流双 闭环数字控制系统。实施例1
如图1和图2所示，五自由度交流磁轴承支承的高速电主轴系统，机械结构主要由压装 在钢筒内套16中的交直流三自由度主动磁轴承25、高速主轴电机26、交流二自由度主动 磁轴承27以及转轴3构成。图1中，轴向位移传感器探头2安装在右端盖1上，处于转轴 3的轴心线上，检测转轴3的轴向位移；径向辅助轴承4固定在右端盖1中；右端4个径 向位移传感器探头61沿圆周均匀分布、固定在右端盖1与交直流三自由度主动磁轴承25 之间的右端传感器支架51上，检测转轴3右端径向2个自由度的位移；高速主轴电机23 左右两侧分别安装有限位套筒122和限位套筒121，限位套筒122左端紧靠交流二自由度 主动磁轴承27，限位套筒121右端紧靠交直流三自由度主动磁轴承25;左端传感器支架 52紧靠左端盖21，左端4个径向位移传感器探头62沿圆周均匀分布、固定在左端传感器 支架52上，检测转轴3左端径向2个自由度的位移；在交流二自由度主动磁轴承27与左 端传感器支架52之间安装有限位套筒123进行限位；径向-轴向辅助轴承20安装在左端盖 21中。
如图5、图6和图7所示，交直流三自由度主动磁轴承25，包括转轴3、三自由度磁 轴承转子7、三自由度磁轴承径向控制线圈8、三自由度磁轴承径向定子9、三自由度磁轴 承轴向控制线圈IO和三自由度磁轴承轴向定子11。三自由度磁轴承转子7由圆环形硅钢 片叠压而成，套装在系统共用的转轴3上；三自由度磁轴承轴向定子11采用2片X3极的 双片式六极结构，左右两侧每片三自由度磁轴承轴向定子11具有沿圆周均匀分布的3个三 自由度磁轴承轴向定子磁极111、 112和113， 3个三自由度磁轴承轴向定子磁极111、 112 和113与三自由度磁轴承转子7之间形成轴向气隙；左右2个三自由度磁轴承轴向控制线 圈10分别紧靠左右2片轴向定子11，置于内侧，采用直流开关功率放大器提供控制电流， 通电产生三自由度磁轴承轴向控制磁通29;三自由度磁轴承径向定子9具有3个沿圆周均 匀分布的三自由度磁轴承径向定子磁极91、 92和93，每个三自由度磁轴承径向定子磁极 91、 92和93均处于轴向相对的2个三自由度磁轴承轴向定子磁极111、 112和113之间，3 个三自由度磁轴承径向定子磁极91、 92和93与三自由度磁轴承转子7之间形成径向气隙； 3个三自由度磁轴承径向控制线圈8绕在3个三自由度磁轴承径向定子磁极91、 92和93 上，采用三相交流功率逆变器驱动控制，以产生三自由度磁轴承径向控制磁通30。
如图8所示，交流二自由度主动磁轴承27，包括转轴3、 二自由度磁轴承转子19、 二 自由度磁轴承径向定子18和二自由度磁轴承径向控制线圈17。 二自由度磁轴承转子(19) 由圆环形硅钢片叠压而成，套装在系统共用的转轴3上；二自由度磁轴承径向定子18具有沿圆周均匀分布的3个二自由度磁轴承径向定子磁极181、 182和183， 3个二自由度磁轴 承径向定子磁极181、 182和183与二自由度磁轴承转子19形成径向气隙；二自由度磁轴 承径向控制线圈17绕在3个二自由度磁轴承径向定子磁极181、 182和183上，采用三相 交流功率逆变器驱动控制，以产生径向控制磁通31。
如图1所示，钢筒由钢筒外套15和钢筒内套16构成，钢筒外套15和钢筒内套16之 间具有用于系统水冷散热的螺旋沟道。
根据磁回路要求，构造其机械结构与零部件结构；磁路部件需导磁性能好，磁滞低， 并尽量降低涡流损耗与磁滞损耗，由此确定三自由度磁轴承转子7、 二自由度磁轴承转子 19和轴向直流主动磁轴承转子24均采用圆环形硅钢片叠压而成，套装在系统共用转轴3 上；三自由度磁轴承径向定子9、三自由度磁轴承轴向定子11、 二自由度磁轴承径向定子 18和轴向直流主动磁轴承定子22均采用圆环形硅钢片叠压而成。
根据系统对机械辅助轴承的要求，确定径向辅助辨承4采用单滚珠轴承，径向-轴向辅 助轴承20采用调心滚珠轴承；辅助轴承与转轴之间的气隙长度为磁轴承气隙长度的一半。
系统中的所有位移传感器2、 61和62均采用电涡流位移传感器检测系统5个自由度上 的位移，采用霍尔电流传感器检测三自由度磁轴承径向控制线圈8、 二自由度磁轴承径向 控制线圈17、三自由度磁轴承轴向控制线圈10以及轴向主动磁轴承控制线圈23中的电流， 以TI公司TMS320F2812 DSP为核心，结合位移检测电路、电流检测电路和功率驱动电路 构建五自由度交流磁轴承支承的高速电主轴系统的数字控制系统。
实施例2
如图3和图4所示，五自由度交流磁轴承支承的高速电主轴系统，其机械结构主要由 压装在钢筒内套16中的高速主轴电机26、 2个交流二自由度主动磁轴承27、轴向主动磁 轴承28以及转轴3构成。图3中，径向辅助轴承4和径向-轴向辅助轴承20分别安装在右 端盖1和左端盖21中；轴向位移传感器探头2安装在右端盖1上，处于转轴3的轴心线上， 检测转轴3的轴向位移；轴向直流主动磁轴承28紧靠右端盖1安装，其左侧为右端传感器 支架51，右端4个径向位移传感器探头61沿圆周均匀分布、固定在右端传感器支架51上， 检测转轴3右端径向2个自由度的位移；右端的交流二自由度主动磁轴承27左右两侧分别 有限位套筒121和限位套筒124，限位套筒124右端紧靠右端传感器支架51，限位套筒121 左端紧靠高速主轴电机26;左端的交流二自由度主动磁轴承27左右两侧分别有限位套筒 123和限位套筒122，限位套筒122右端紧靠高速主轴电机26，限位套筒123左端紧靠左 端传感器支架52，左端4个径向位移传感器探头62沿圆周均匀分布、固定在左端紧靠左端盖21的左端传感器支架52上，检测转轴3左端径向2个自由度的位移。
对照图3、图4与图1、图2，可以看出，将实施例l机械结构中的交直流三自由度主 动磁轴承替换为两个交流二自由度主动磁轴承和轴向主动磁轴承即可得到本实施例的机械 结构。因此，本实施例中，除了上述结构特点以外，其余部分的实施方式可参见实施例l。
权利要求
1、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(25)、高速主轴电机(26)、交流二自由度主动磁轴承(27)、转轴(3)、右端盖(1)和左端盖(21)，其特征在于，高速主轴电机(26)安装在转轴(3)上，所述的交直流三自由度主动磁轴承(25)和交流二自由度主动磁轴承(27)分别安装在高速主轴电机(26)左右两侧；轴向位移传感器探头(2)安装在右端盖(1)上，处于转轴(3)的轴心线上，检测转轴(3)的轴向位移；径向辅助轴承(4)固定在右端盖(1)中；右端4个径向位移传感器探头(61)沿圆周均匀分布、固定在右端盖(1)与交直流三自由度主动磁轴承(25)之间的右端传感器支架(51)上，检测转轴(3)右端径向2个自由度的位移；高速主轴电机(26)左右两侧分别安装有限位套筒(122)和限位套筒(121)，限位套筒(122)左端紧靠交流二自由度主动磁轴承(27)，限位套筒(121)右端紧靠交直流三自由度主动磁轴承(25)；左端传感器支架(52)紧靠左端盖(21)，左端4个径向位移传感器探头(62)沿圆周均匀分布、固定在左端传感器支架(52)上，检测转轴(3)左端径向2个自由度的位移；在交流二自由度主动磁轴承(27)与左端传感器支架(52)之间安装有限位套筒(123)进行限位；径向-轴向辅助轴承(20)安装在左端盖(21)中。
2、 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高速主轴电机(26)、 两个交流二自由度主动磁轴承(27)、轴向主动磁轴承(28)、转轴(3)、右端盖(1)和左 端盖(21)，其特征在于，高速主轴电机(26)安装在转轴(3)上，所述两个交流二自由 度主动磁轴承(27)分别安装在高速主轴电机(26)左右两侧，所述轴向主动磁轴承(28) 安装在右侧的交流二自由度主动磁轴承(27)的右侧；径向辅助轴承(4)和径向-轴向辅 助轴承(20)分别安装在右端盖(1)和左端盖(21)中；轴向位移传感器探头(2)安装 在右端盖(1)上，处于转轴(3)的轴心线上，检测转轴(3)的轴向位移；轴向主动磁轴 承(28)紧靠右端盖(1)安装，其左侧为右端传感器支架(51)，右端4个径向位移传感 器探头(61)沿圆周均匀分布、固定在右端传感器支架(51)上，检测转轴(3)右端径向 2个自由度的位移；右端的交流二自由度主动磁轴承(27)左右两侧分别有限位套筒(121) 和限位套筒(124)，限位套筒(124)右端紧靠右端传感器支架(51)，限位套筒(121)左 端紧靠高速主轴电机(26);左端的交流二自由度主动磁轴承(27)左右两侧分别有限位套 筒(123)和限位套筒(122)，限位套筒(122)右端紧靠高速主轴电机(26)，限位套筒(123) 左端紧靠左端传感器支架(52)，左端4个径向位移传感器探头(62)沿圆周均匀分布、固 定在左端紧靠左端盖(21)的左端传感器支架(52)上，检测转轴(3)左端径向2个自由 度的位移。
3、 根据权利要求1所述的高速电主轴系统，其特征在于，所述交直流三自由度主动磁轴 承(25)包括三自由度磁轴承转子(7)、三自由度磁轴承径向控制线圈(8)、三自由度磁 轴承径向定子(9)、三自由度磁轴承轴向控制线圈(10)和三自由度磁轴承轴向定子(11); 所述三自由度磁轴承转子(7)由圆环形硅钢片叠压而成，套装在系统共用的转轴(3)上；所述三自由度磁轴承轴向定子(11)采用2片X3极的双片式六极结构，左右两侧每片三 自由度磁轴承轴向定子(11 )具有沿圆周均匀分布的3个三自由度磁轴承轴向定子磁极(111 、 112、 113)， 3个三自由度磁轴承轴向定子磁极(111、 112、 113)与三自由度磁轴承转子(7) 之间形成轴向气隙；左右2个三自由度磁轴承轴向控制线圈(10)分别紧靠左右2片轴向 定子(11)，置于内侧，通电产生三自由度磁轴承轴向控制磁通(25);三自由度磁轴承径 向定子(9)具有3个沿圆周均匀分布的三自由度磁轴承径向定子磁极(91、 92、 93)，每 个三自由度磁轴承径向定子磁极(91、 92、 93)均处于轴向相对的2个三自由度磁轴承轴 向定子磁极(111、 112、 113)之间，3个三自由度磁轴承径向定子磁极(91、 92、 93)与 三自由度磁轴承转子(7)之间形成径向气隙；3个三自由度磁轴承径向控制线圈(8)绕 在3个三自由度磁轴承径向定子磁极(91、 92、 93)上，采用三相交流功率逆变器驱动控 制，以产生三自由度磁轴承径向控制磁通(26)。
4、 根据权利要求1或权利要求2所述的高速电主轴系统，其特征在于，所述交流二自由 度主动磁轴承(27)，包括二自由度磁轴承转子(19)、 二自由度磁轴承径向定子(18)和 二自由度磁轴承径向控制线圈(17);所述二自由度磁轴承转子(19)由圆环形硅钢片叠压 而成，套装在系统共用的转轴(3)上；所述二自由度磁轴承径向定子(18)具有沿圆周均 匀分布的3个二自由度磁轴承径向定子磁极(181、 182、 183)， 3个二自由度磁轴承径向 定子磁极(181、 182、 183)与二自由度磁轴承转子(19)形成径向气隙；所述二自由度磁 轴承径向控制线圈(17)绕在3个二自由度磁轴承径向定子磁极(181、 182、 183)上，采 用三相交流功率逆变器驱动控制，以产生径向控制磁通(31)。
5、 根据权利要求1或权利要求2所述的高速电主轴系统，其特征在于，所述钢筒由钢筒 外套(15)和钢筒内套(16)构成，钢筒外套(15)和钢筒内套(16)之间具有用于系统 水冷散热的螺旋沟道。
6、 根据权利要求1或权利要求2所述的高速电主轴系统，其特征在于，所述径向辅助轴 承(4)采用单滚珠轴承，径向-轴向辅助轴承(20)采用调心滚珠轴承。
7、 根据权利要求1或权利要求2所述的高速电主轴系统，其特征在于，所述的位移传感器探头(2、 61、 62)均采用电涡流位移传感器探头。
8、 根据权利要求3所述的高速电主轴系统，其特征在于，所述交直流三自由度主动磁轴 承径向控制线圈(8)和交流二自由度主动磁轴承径向控制线圈(17)均采用三相功率 逆变器进行驱动；所述交直流三自由度主动磁轴承轴向控制线圈(IO)采用直流开关功 率放大器提供控制电流；采用霍尔电流传感器检测每个控制线圈中的电流。
9、 根据权利要求4所述的高速电主轴系统，其特征在于，所述交流二自由度主动磁轴承 径向控制线圈(17)采用三相功率逆变器进行驱动，所述轴向主动磁轴承控制线圈(23) 采用直流开关功率放大器提供控制电流；采用霍尔电流传感器检测每个控制线圈中的电 流。
全文摘要
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。交直流三自由度主动磁轴承和交流二自由度主动磁轴承中的径向两个自由度均采用三极结构、三相逆变器驱动控制，显著降低了功率放大电路的损耗和成本。本发明实现电机与旋转主轴之间和旋转主轴与刀具之间的双处零中间传动，特别是实现电机与旋转主轴之间无接触悬浮运行，具有无机械摩擦磨损、无噪音、低功耗、高速度和高精度等优点。
文档编号H02K7/09GK101414772SQ20081023427
公开日2009年4月22日 申请日期2008年11月28日 优先权日2008年11月28日
发明者朱熀秋, 诸德宏, 邬清海 申请人:江苏大学