磁悬浮电主轴单元径向轴承的磁场分析

关键 词 ：电主轴单元 ；径向磁轴承 ；电磁场 ；有限元 中图分类号 ：Ｔ ４ Ｍ３ ６ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０－０ （ ０ １ ６ 上） ０ ５ ０ ９ １ ４ ２ １ ） （ 一０ ６ — ５ ０ ３
Ｄｏｉ １ ． ９ ９ Ｊ ｉｓ １ ０ －０ ４． ０ １ ６ ： ３ ６ ／ ． ｎ． ０ ９ １ ２ １ ． （Ｅ） １ ０ ｓ ３ ． ９
承磁极内圈圆度取０ ｏ ７ ｍ１ ．０ ｍ ］ Ｊ，磁路磁漏不影响控制系统的性能 ，主轴实际中心线距理想位置 的最大偏移量 为０ ０ ２ ｍ ．０ ５ ｍ，可满足精 密机 床主轴径向旋转 精度性能要求 。研 究结 果为磁悬浮 电 主 轴 单 元 的 径 向 支 承 结 构 的 优 化 设 计 提 供 了理 论 依 据 。
收 稿 日 期 ：２ １－ １ ６ ０ １ ０ －１
图 １磁 悬 浮 电主 轴 单 元 剖 面 结 构 图
基 金 项 目 ：国 家 自然 科 学 基 金 项 目 （ ０ ７ ０ ９ １０ ０ ３ ；江 苏 省 高 校 自然 科 学 基 础 研 究 项 目 （７ Ｊ ４ ０ ７ ） ；南 ６ ９ ４４ ，６ ０ ４ ５ ） ０ Ｋ Ｄ ６ １６ 通 市应 用研 究项 目 （ ２ ０ ０ ０ Ｋ ０ ８ ２ ）； 江 苏 省 研 究 生 科 研 创 新 基 金 项 目 （ Ｘ ９ 一 ２ Ｚ） ，南 通 大 学 研 究 生 科研 Ｃ ０Ｓ ００ 创新基金项 目 （ Ｃ ９１ ） ＹＫ ０ ０ ０ 作 者 简 介 ：廖 萍 （ ９ １ １６ 一） ，女 ，教 授 ，硕 士 研 究 生 导 师 ，研 究 方 向为 先 进 制 造 技 术 与 装 备 。
１ 磁悬浮 电主轴单元工作原理及磁力 计算
磁悬 浮 电主轴 单 元剖面 结构 如 图１ 所示 。
电 主 轴 单 元 将 高 速 电 机 与 精 密 主 轴 有 机 结 合 ，取 消 了传 统 机 床 从 动 源 （ 电机 ）到 主轴 之 间
的传 动 带 、齿 轮 等 诸 多 机 械 传 动 环 节 ，实现 了 机 床 主 传 动 系统 的 “ 传 动 ” ，具 有 损 耗 低 、 寿 命 零
提 出 了越 来 越 高 的 要 求 ，这种 需 求 促 进 了机 床 工 业 ，尤 其 是 数 控 机 床 的 发 展 。但 与 数 控 机 床配 套
的 功 能 部 件 的 产业 化 规 模 和产 品水 平 ，远 远 满 足 不 了数 控机 床 的发 展要 求 。主轴 组件 是机 床 中最 ｊ 重 要 的 部件 之 一 ， 性 能 优 劣 ，尤其 是其 径 向旋 转 其 精 度 （ 装配 后 ，在无载 荷 、低速 转动 条件 下 ，主 指 轴 前端 安装 工件 或 刀具 部 位 的径 向跳 动 ）和 运动 精 度 （ 主轴 以工作 速 度转动 时 的旋 转 精度 ），将 指 直接 影 响到被加 工零 件 的形 状 和尺寸精 度 。
０ 引Байду номын сангаас言
数 控 机 床 正 在 朝 着 高 速 度 、高 精 度 、 高效 、 高 智能 化 的方 向发 展…，制 造 业对 加工 设 备 的性 能
方 面 由于 接 触疲 劳 产 生轴 承 失 效 ，需 定 期 更换 轴
承 ，另 一 方 面 ，由 于 高速 摩 擦 产 生 的热 量 通过 轴 承 内 圈 传 递 到主 轴 ， 引起 主 轴 的 不 均 匀热 变 形 。 磁 悬 浮 支 承技 术 利 用磁 场 力将 物 体 悬 浮 ，实现 了 无 接 触 式 支 承…。将 磁 悬 浮 支 承 技 术 与 电 主轴 单 元 相 结 合 制 成 磁 悬 浮 电主 轴单 元 ，具 有 定 位 精 度 高 、无 需润 滑 、无 接 触摩 擦 、低 功 耗 、刚 度大 、 机 床噪 音低 、切 削 精 度高 等 优 点 隅 Ｊ 是未 来数 控 ， 机床 主轴 单元 的 发展趋 势 。
（ 通 大 学 机 械 工 程 学 院 ， 南通 ２ ６ １ ） 南 ２ ０ ９
摘
要 ：介绍 了磁悬 浮 电主轴 单元的工作原 理 ，以５ ５ Ｗ电主轴单 元为例 ，利用 Ａ Ｓ 软 件对其径 ．１ ＜ Ｎ ＹＳ 向磁轴承 磁场进行 了有限 元分 析 ，找 出其系统 磁场分布 的变化规律 和影响 因素。分析表 明 ： 在主轴正常悬 浮且单边气隙值 取０ ３ ．０ ｍｍ，主轴支承 处轴颈圆度取 ０ ０ ３ ． ±０ ０ ４ ．０ ｍｍ，径 向磁轴
１ ２ １、１ 、 、 ４ ５辅助 支 承 轴 承 ，３ ｌ 、 ３径 向 位移 传 感器 ，
４ １ 、 ２径 向磁 轴 承 ， ５主 轴 ，６电机 ，７ １轴 向磁 轴 承 ， 、 ｌ ８ １ 、 ０轴 向磁 轴 承 线 圈 ，９推 力盘 ， １ ６轴 向位 移 传 感器
但 应 用 在 长 时 间 高 速 加 工场 合 时 仍 存 在 缺 点 ， 一
廖 萍 ，马 苏扬 ，吴 国庆 ，茅靖 峰 ，姜 安栋 ，夏 正鹏
Ｌ ＡＯ ｎ ， ｌ Ｐｉ ｇ ＭＡ — ａｎ ， Ｕ Ｇ ｕ — ｎ ， Ｓｕ ｙ ｇ Ｗ ｏ ｑｉ ｇ ＭＡＯ ｉ ｇ ｆ ｎ ， Ｉ Ｊ ｎ —ｅ ｇ Ｊ ＡＮＧ — ｏ ｇ， ＸＩ ｅ ｇ ｐ ｎ Ａｎ ｄ ｎ Ａ Ｚｈ ｎ — ｅ ｇ
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磁 悬 浮 电主 轴 单 元 径 向 轴承 的磁 场 分 析
Ｔｈ ａｎ ｙ ｓ ｏ ａ ａｌ ａｇｎｅｔｃ ｂ ｅ ａｌ ｓｉ ｆｒ ｄｉ ｍ ｉ ｅａ￣ｎｇ ｍ ａｇｎ ｉ ｉ ｄ ｉ ｔｖ ｍ ａｇｎ ｉ ａ￣ｎ ｉ 。 ｅｔｃ ｆｅｌ ｎ ａｃ ｉｅ ｅｔｃ ｂｅ ｇ ｕｎ ｔ
长 、精 度高 、转速 高 、振 动低 等优 点 。 目前 ，电 主 轴 单 元 已成 为 高 速 数 控 机 床 的 核 心 功 能 部件 之
一
０
电主 轴 单 元 中 的支 承 轴 承 大 多采 用 混 合 陶 瓷 球 轴 承 等机 械 接 触 式 轴 承 ， 这 类 轴 承 虽然 具 有 温 升 小 、刚 度 大 、 寿命 长 、极 限 转 速 高 等优 点 ，