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高速机床无轴承电主轴的优化设计

摘要

随着数控机床技术的快速发展，对高转速、高精度的数控机床要求越来越高，以此来满足高精度加工的要求。其中电主轴作为数控机床的核心部件，其支撑技术将直接影响数控机床能否达到高精度、高转速的要求。传统电主轴因为轴承和电主轴的物理接触，在主轴高速旋转过程中会产生振动、噪音和发热等，无法达到高精度和高转速的要求。因此，磁悬浮技术作为一种新型的支承技术被用在了无轴承电主轴中，从而解决了传统电主轴无法解决的问题。

本文对无轴承电机与电主轴结合为一体构成的无轴承电主轴进行了设计，通过查阅相关资料确定无轴承电主轴主要部件的结构和布局方式，然后对主要部件的尺寸和强度进行计算和校核，最后通过有限元分析的方法对其结构进行优化。其中本设计中的无轴承电主轴由一个二自由度无轴承异步电机、一个径向磁轴承和一个轴向磁轴承构成，此结构可以减小电主轴的轴向长度，并且结构简单，能更加有利于无轴承电主轴突破高功率、高转速和高精度以及实现微型化的要求。

关键词：电主轴径向磁轴承轴向磁轴承有限元分析

1绪论

1.1本课题目的及意义

数控机床正在不断地向高速、高精、高效、高智能、低能耗、低成本方向发展，而数控机床的制造工艺和性能首先取决于电主轴的工作性能。现在的高速电主轴的支撑轴承分为有接触高速轴承和无接触高速轴承两种，有接触高速轴承在主轴转子高速和超高速运转的情况下，机械轴承的轴承就会出现严重的磨损、振动、发热等问题[1]。另外，普通的机械轴承需要定时润滑和维护，在真空和辐射或禁止润滑剂介质的特殊领域，难以得到应用。无接触高

速轴承因为结构简单、不需润滑、重量轻和无需接触等优势，被认为是最有应用前景的轴承。虽然普通的气浮和液浮轴承在其专门配有的气压和液压装置的作用下也能实现机床主轴的高速旋转，但同时这也会造成很多问题，比如：会使得整个电机结构复杂、体积庞大、耗能多等问题，另外气压和液压系统容易经常出现故障，使气浮和液浮轴承失效，进而使电机和系统的可靠性降低[2]。

随着时代的快速发展和技术慢慢成熟，在19世纪中期研究出了一种新型的磁轴承电机。磁轴承电机的转子能够悬浮在空气中是通过在磁轴承的线槽中安装电磁线圈，并利用电磁线圈产生的电磁力来实现转子的悬浮。虽然电磁力能够解决主轴转子和轴承之间的机械摩擦问题，实现了磁轴承电机的高速运动，但在实际过程中，磁轴承电机仍存在以下的问题。磁轴承电机把磁轴承安装在电机两侧，加大了电机轴向长度，使得电机体积增加。

因此为了解决这一系列问题，一种新型磁悬浮电机被国外学者提了出来[3]，这就是无轴承电机。无轴承电机与传统电机和磁轴承电机的结构非常相似，它结合了二者的优点，从根本上改变了传统电机结构。因为磁轴承系统与无轴承异步电机定子结构的相似性，可以在无轴承异步电机的定子槽中加入磁轴承系统中的悬浮绕组，这样电机定子槽中就有两套绕组，在只有转矩绕组的基础上加入了一套悬浮绕组，悬浮绕组与转矩绕组一起叠压在定子槽中，两套绕组的磁场会叠加一起，然后在电机的定子转子之间会产生两种极对数相差为1的旋转磁场，悬浮力绕组产生的磁场和电机(或永磁体)产生的磁场合成一个整体，通过径向悬浮控制绕组电流的引入，打破了电机原来旋转磁场的平衡，使得电机气隙中的一区域中磁场增强，从而在转子表面形成了可控的悬浮力，最终实现无轴承异步电机的转子与定子之间实现无机械接触旋转。无轴承电机的优点是将悬浮绕组安装在传统电主轴的电机定子中，减小了电机的轴向长度，易于向微型化领域发展；另外电主轴与磁轴承之间不存在机械接触，具有无需润滑和密封、高速度、噪音小、寿命长等一系列优良品质。但是普通的无轴承电机需要由两个径向磁轴承单元、一个轴向磁轴承单元和一个高速电机单元组成完全磁悬浮电主轴系统，具有轴向长度较长，临界转速低，结构复杂，控制系统复杂，成本高等缺点[4]。

因此，本课题拟对无轴承电机与电主轴结合为一体构成的无轴承电主轴进行设计，并通过有限元分析的方法，对其结构进行优化从而提高系统的动态性能，突破更高转速和更大功率的限制，提高机床的整体性能，实现数控机床的高速加工，保证加工精度和产品质量，对高速机床的发展具有一定的意义。

1.2本课题的国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

国内对无轴承电主轴的研究起步较迟，目前还处于理论研究和试验验证阶段。国内对无轴承电主轴的研究主要高校有:清华大学、浙江大学、山东大学、西北工业大学、南京航空航天大学、江苏大学、沈阳工业大学等。仇志坚等人设计了转子偏心的永磁型无轴承电主轴和完整的数学模型，并对比分析了传统PID控制在无轴承电主轴径向位移控制中的应用，为提高无轴承电主轴悬浮控制精度奠定了理论基础[5]。

王凤翔等人提出了无轴承无刷直流电主轴的概念，设计了