一种基于氧化锆陶瓷芯轴的空气静压高速电主轴

1.本实用新型属于高速电主轴技术领域，具体涉及一种基于氧化锆陶瓷芯轴的空气静压高速电主轴。


背景技术：

2.超高速加工技术是实现难加工材料高效率高质量加工的一种有效加工方法。在现有技术下，实现超高速加工的难点在于机床设备及核心主轴部件的局限性，而核心主轴部件的关键技术难点在于现有的机床主轴的材料难以作为超高速旋转的载体。现有技术中，电主轴常用的芯轴材料在质量、刚度、膨胀系数以及固有频率等方面限制了现有电主轴进一步高速旋转的可能性。要实现超高速加工，其核心问题之一是机床的高速度与高精度，而电主轴作为机床最重要的组成部件，是决定机床速度和精度的关键所在，也是发展超高速加工技术所必须依仗的基础。
3.因此，需要提供一种具有高主轴转速、高加工精度以及较长主轴寿命的电主轴。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.为解决现有技术中存在的电主轴常用的芯轴材料限制了电主轴高速旋转的问题，本实用新型提供一种基于氧化锆陶瓷芯轴的空气静压高速电主轴。
6.(二)技术方案
7.为了达到上述目的，本实用新型采用的主要技术方案包括：
8.一种基于氧化锆陶瓷芯轴的空气静压高速电主轴，包括基座、机壳、芯轴、止推轴承、第一支撑组件、第二支撑组件、冷却组件以及双楔形永磁电机；
9.所述芯轴为氧化锆陶瓷芯轴，且设置在所述基座上，所述止推轴承套接于所述芯轴，且设置在远离所述基座的一端；
10.所述第一支撑组件以及所述第二支撑组件设置在所述机壳的内部以支撑所述芯轴；
11.所述冷却组件设置在所述第一支撑组件以及所述第二支撑组件的外侧，所述机壳的内部；
12.所述双楔形永磁电机包括两个完全相同的楔形永磁电机单元，所述两个楔形永磁电机单元沿所述芯轴对称分布；
13.所述楔形永磁电机单元包括定子组件以及转子组件；
14.所述两个楔形永磁电机单元的定子组件分别与所述第一支撑组件以及所述第二支撑组件固定连接，所述两个楔形永磁电机单元的转子组件套设于所述芯轴；
15.所述转子组件靠近所述基座的一端的直径小于远离所述基座的一端的直径。
16.如上所述的空气静压高速电主轴，优选地，所述定子组件包括定子绕组以及定子铁芯；
17.所述定子绕组固定在所述定子铁芯的内部，所述定子绕组的两端分别和第一支撑组件以及第二支撑组件过盈配合。
18.如上所述的空气静压高速电主轴，优选地，所述转子组件包括磁钢护套、楔形磁钢、转子铁芯以及轴向限位套筒；
19.所述转子铁芯、所述楔形磁钢以及所述磁钢护套依次连接且依次分布在所述芯轴的外侧；
20.所述轴向限位套筒将所述磁钢护套、所述楔形磁钢以及所述转子铁心固定为一体。
21.如上所述的空气静压高速电主轴，优选地，所述定子铁芯的轴向长度比所述转子铁芯轴向长度大1-3mm。
22.如上所述的空气静压高速电主轴，优选地，所述冷却组件包括冷却水流道以及冷却水道内胆；
23.所述冷却水道内胆设置在所述机壳的内侧，所述第一支撑组件以及所述第二支撑组件的外侧；
24.所述冷却水流道沿所述冷却水道内胆的周向开设于所述冷却水道内胆。
25.如上所述的空气静压高速电主轴，优选地，所述第一支撑组件包括设置在靠近所述基座一端的径向空气轴承外套以及径向空气轴承内胆，所述径向空气轴承内胆设置在所述径向空气轴承外套的内侧；所述径向空气轴承外套与所述冷却组件连接；
26.所述第二支撑组件包括设置在远离所述基座一端的径-轴向复合空气轴承外套以及径-轴向复合空气轴承内胆，所述径-轴向复合空气轴承内胆设置在所述径-轴向复合空气轴承外套的内侧；所述径-轴向复合空气轴承外套与所述冷却组件连接。
27.如上所述的空气静压高速电主轴，优选地，空气静压高速电主轴还包括密封端盖；
28.所述密封端盖设置在所述止推轴承的前端。
29.如上所述的空气静压高速电主轴，优选地，所述密封端盖上通过固定支架安装轴向电容式位移传感器。
30.如上所述的空气静压高速电主轴，优选地，空气静压高速电主轴还包括垫片，所述垫片设置在所述止推轴承与所述第二支撑组件之间。
31.(三)有益效果
32.本实用新型的有益效果是：
33.本实用新型中的芯轴由氧化锆陶瓷材料制成，具有硬度大、耐磨性好的优点，其硬度接近蓝宝石，远超过轴类零件常用的各种钢材的硬度，相应的耐磨性也较高，能够提高芯轴的耐磨损能力，提升寿命。另外，氧化锆陶瓷材料制成的芯轴的强度大，能够为芯轴提供足够的强度支持。
34.从稳定性上看，氧化锆陶瓷芯轴的热膨胀系数低，在高温下膨胀变形小，且化学稳定性好，为芯轴提供了更好的稳定性，可以在更高的转速下将主轴的膨胀控制在许用范围内。
35.此外，氧化锆陶瓷材料的密度与轴类零件常用的各种钢材相比大幅度减小，因此还能够减小芯轴的自重，对应转动过程中的惯量也降低，降低了主轴自重产生的负载，能够进一步提高主轴的转速。
36.本实用新型采用双楔形永磁电机，用于减轻止推轴承受力，改善轴承的受力情况，抵消电主轴轴向的冲击载荷。空气静压高速电主轴能够通过分别控制双楔形永磁电机中的每个楔形永磁电机单元，实现电主轴动态调节输出功率，同时还能够随动调整轴向磁拉力用于抵消电主轴轴向冲击载荷，有效提高空气静压高速电主轴的轴向承载能力。因此，本实用新型的空气静压高速电主轴具有主轴刚度大，输出功率大，加工精度高，动态特性和热稳定性好，寿命长等特点。
附图说明
37.图1为本实用新型中基于氧化锆陶瓷芯轴的空气静压高速电主轴的整体结构示意图；
38.图2为本实用新型中芯轴的结构示意图；
39.图3为本实用新型中楔形永磁电机单元的结构示意图。
40.【附图标记说明】
41.1：径向空气轴承外套；2：冷却水流道；3：双楔形永磁电机；4：径-轴向复合空气轴承外套；5：垫片；6：止推轴承；7：轴向电容式位移传感器及其支架；8：密封端盖；9：径-轴向复合空气轴承内胆；10：机壳；11：芯轴；12：径向空气轴承内胆；13：冷却水道内胆；14：基座。
42.31：定子绕组；32：定子铁芯；33：磁钢护套；34：楔形磁钢；35：转子铁芯；36：轴向限位套筒。
具体实施方式
43.为了更好的解释本实用新型，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本实用新型作详细描述。
44.实施例1
45.如图1-图3所示，本实施例提供一种基于氧化锆陶瓷芯轴的空气静压高速电主轴，包括基座14、机壳10、芯轴11、止推轴承6、第一支撑组件、第二支撑组件、冷却组件以及双楔形永磁电机3。
46.具体地，芯轴11设置在基座14上，止推轴承6套接于芯轴11，且设置在芯轴11远离基座14的一端。本实施例中的芯轴11为氧化锆陶瓷芯轴，电主轴的芯轴选用氧化锆陶瓷材料，能够提高主轴的极限旋转速度，在超高转速下可以将膨胀量控制在许用范围以内，从而提高主轴转速以及精度，并且减轻主轴重量、惯量相应减小，可以降低能耗以及自重产生的负载。
47.本实施例中的芯轴11由氧化锆陶瓷材料制成，氧化锆陶瓷具有强度高、硬度大、耐高温、耐磨性好的优点，且化学性能稳定性，耐酸碱腐蚀，同时还具有很好的散热性能，因此，本实施例中的芯轴11具有如下优点：
48.首先，氧化锆陶瓷材料制成的芯轴的硬度大、耐磨性好，其硬度接近蓝宝石，远超过轴类零件常用的各种钢材的硬度，相应的耐磨性也较高，能够提高芯轴的耐磨损能力，提升寿命。另外，氧化锆陶瓷材料制成的芯轴的强度大，能够为芯轴提供强度支持。
49.其次，氧化锆陶瓷芯轴的热膨胀系数低，在高温下膨胀变形小，且化学稳定性好，为芯轴提供了更好的稳定性，可以在更高的转速下将主轴的膨胀控制在许用范围内。
50.此外，氧化锆陶瓷材料的密度与轴类零件常用的各种钢材相比大幅度减小，因此还能够芯轴的自重，对应转动过程中的惯量也降低，降低了主轴自重产生的负载，能够进一步提高主轴的转速。
51.第一支撑组件以及第二支撑组件设置在机壳10的内部，用以支撑芯轴11，冷却组件设置在支撑组件的外侧，且同时位于机壳10的内部，用于提高电主轴的整体散热能力。
52.本实施例还在止推轴承6与第二支撑组件之间设置垫片5，使得部件之间的连接更加密切。
53.上述双楔形永磁电机3包括两个完全相同的楔形永磁电机单元，两个楔形永磁电机单元沿芯轴11对称分布。楔形永磁电机单元包括定子组件以及转子组件，两个楔形永磁电机单元的定子组件分别与第一支撑组件以及第二支撑组件固定连接，两个楔形永磁电机单元的转子组件套设于芯轴11。如图1和图3所示，转子组件靠近基座14的一端的直径小于远离基座14的一端的直径。
54.本实施例的空气静压高速电主轴能够通过分别控制双楔形永磁电机中的每个楔形永磁电机单元，实现电主轴动态调节输出功率，同时还能够随动调整轴向磁拉力用于抵消电主轴轴向冲击载荷，有效提高空气静压高速电主轴的轴向承载能力。因此，本实施例的空气静压高速电主轴具有主轴刚度大，输出功率大，加工精度高，动态特性和热稳定性好，寿命长等特点。
55.优选地，冷却组件包括冷却水流道2以及冷却水道内胆13。冷却水道内胆13设置在机壳10的内侧，第一支撑组件以及第二支撑组件的外侧。冷却水流道2包括多条，均匀地沿沿冷却水道内胆13的周向开设于冷却水道内胆13。机壳10通过过盈配合与冷却水道内胆13连接。
56.优选地，第一支撑组件包括设置在靠近基座一端的径向空气轴承外套1以及径向空气轴承内胆12，径向空气轴承内胆12设置在径向空气轴承外套1的内侧，径向空气轴承外套1与冷却组件连接。
57.第二支撑组件包括设置在远离基座一端的径-轴向复合空气轴承外套 4以及径-轴向复合空气轴承内胆9，径-轴向复合空气轴承内胆9设置在径-轴向复合空气轴承外套4的内侧；径-轴向复合空气轴承外套4与冷却组件连接。
58.优选地，如图1以及图3所示，定子组件包括定子绕组31以及定子铁芯32。三相或者多相的定子绕组31按照分数槽集中或者分布短距的方式镶嵌在带有开口槽的楔形定子铁芯32的内部，并通过灌胶的方式将整个三相或者多相的定子绕组31与定子铁芯32固定在一起。定子绕组31 与定子铁芯32的整体通过过盈配合的方式安装在冷却水道内胆9的内圈，并通过焊接的方式固定轴向的安装位置。
59.转子组件包括磁钢护套33、楔形磁钢34、转子铁芯35以及轴向限位套筒36。转子铁芯35、楔形磁钢34以及磁钢护套33依次连接且依次分布在芯轴11的外侧，轴向限位套筒36将磁钢护套33、楔形磁钢34以及转子铁芯35固定为一体。
60.优选地，为了保证芯轴11产生轴向窜动时，楔形磁钢34的轴向两端气隙磁密不会发生突变，定子铁芯32的轴向长度比转子铁芯35轴向长度大1-3mm。
61.优选地，本实施例的空气静压高速电主轴还包括设置在止推轴承6 的前端的密封端盖8，用于防止外部灰尘等进入止推轴承6对轴承造成损坏。
62.优选地，密封端盖8上还通过固定支架安装轴向电容式位移传感器7。
63.实施例2
64.本实施例提供一种实施例1中空气静压高速电主轴的使用方法，尤其是一种动态调节双楔形永磁电机3轴向力的输出方向与输出大小的方法。
65.具体地，楔形永磁电机单元的定子铁芯32的外径do大小不会变化，而定子铁芯32的内径di大小线性变化且定子铁芯32内径di与外径 do之比ζ沿着轴向方向线性变化,ζ的取值可以参考如下公式：
66.ζ＝di/do
67.其中：di是定子铁芯32不同轴向位置处的内径，为了使得楔形永磁电机单元得到较好的输出性能，ζ的取值在0.5-0.7之间。
68.当在楔形永磁电机单元的三相或者多相定子绕组31中通入三相或者多相电流激励时，楔形永磁电机单元对外输出转矩t，同时还会产生一个大小为fa，方向由大楔形锥口面指向小楔形锥口面的轴向磁拉力。
69.t的大小可以参考如下方程：
[0070][0071]
式中:n
p
为楔形永磁电机单元的极对数、ψf为楔形永磁电机单元的转子磁链、iq为q轴电流，由于两个楔形永磁电机单元具有相同的旋转方向，同时共轴串联连接输出，即整个基于双楔形永磁电机3的电主轴输出转矩的大小2t。
[0072]
fa的大小可以参考如下方程：
[0073][0074]
式中:d
av
为楔形永磁电机单元转子平均直径，α为楔形磁钢34相对于轴向方向的夹角、l
efi
为楔形永磁电机单元的楔形磁钢34轴向分成n 等分之后的有效长度，b
δi
楔形永磁电机单元的楔形磁钢34轴向分成n等分之后的气隙磁密，β气隙波形系数(β取值范围大致为1.1-1.3)。由于两个楔形永磁电机单元共轴镜面对称连接，在每个楔形永磁电机单元通入相同的电流激励时，由两个楔形永磁电机单元组成的双楔形永磁电机 3会产生一对大小相等、方向相反的轴向力，此时双楔形永磁电机3轴向合力为0；通过分别控制通入每个楔形永磁电机单元的电流激励，即可以实现动态调节双楔形永磁电机3轴向力的输出方向与输出大小。
[0075]
同时为了保证芯轴11产生轴向窜动的时候转子铁芯35轴向两端端部气隙磁密b
δi
不会发生突变，定子铁芯32轴向长度ls大于转子铁芯35 轴向长度lr的一个长度δl，
[0076]
δl的表达式为：
[0077]
δl＝l
s-lr[0078]
δl取值范围大致为1-3mm。
[0079]
以上实施例仅用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型保护范围的限定，本领域技术人员在权利要求的范围内做出各种变形或修改，均属于本实用新型的实质内容。