维普资讯 http://www.cqvip.com 第３Ｏ卷第１２期 ２００７年１２月 合肥工业大学学报（自然科学版） Ｊ０ＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＥＦＥＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＩ ＯＧＹ Ｖｏ１．３０ Ｎｏ．１２ ｅ．２００７ 新型高速磨床主轴用磁悬浮轴承的设计 田 杰， 娄银庭， 王 勇， 刘建明 （合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥２３０００９） 摘要：机床中的支承系统是主轴转速的首要因素，磁悬浮电磁轴承是实现高速主轴系统的主要支承之 ，电磁轴承结构的设计非常复杂，且目前尚没有统一的设计方法。文章在结合电磁铁，电机定、转子的设计 方法，并考虑电磁轴承的一些特殊要求的前提下，提出了一种磁悬浮电磁轴承的设计方法与步骤，并进行了样 机设计。 关键词：磁悬浮轴承；高速主轴；结构设计 中图分类号：ＴＧ６８；ＴＨ１３９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３—５０６０（２００７）１２—１６２４—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｉｖｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｂｅａｒｉｎｇ ａｓ ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｓｐｉｎｄｌｅ ｏｆ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｓ ＴＩＡＮ Ｊｉｅ，ＬＯＵ Ｙｉｎ—ｔｉｎｇ， ＷＡＮＧ Ｙｏｎｇ， ＵＵ Ｊ ｉａｎ—ｍｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｅ— ｔｉｖｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｂｅａｒｉｎｇ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｂｅａｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ｔｈａｔ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｈｉｇｈ——ｓｐｅｅｄ ｓｐｉｎｄｌｅ ｓｙｓ—— ｔｅｍ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｉｖｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｂｅａｒｉｎｇ ｉｓ ｖｅｒｙ ｃｏｍｐｌｅｘ，ｂｕｔ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｎｏ ｕｎｉｆｏｒｍ ｄｅ— ｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｉｖｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｂｅａｒｉｎｇ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｂｙ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔ，ｔｈｅ ｓｔａｔｏｒ ａｎｄ ｒｏｔｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｃｏｎ－ ｓｉｄｅｒｉｎｇ ｓｏｍｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｂｅａｒｉｎｇ．Ａｎｄ ａ ｓａｍｐｌｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｃｔｉｖｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｂｅａｒｉｎｇ；ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｓｐｉｎｄｌｅ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ 超高速磨削技术的应用可以大幅度地提高磨 削效率，有效地改善加工质量，是当今磨削技术最 统、冷却装置和转轴组成。 重要的发展方向之一。应用普通轴承的传统主轴 系统已经成为提高主轴转速的技术瓶颈。要进一 步提高磨床主轴的转速，就要有相应的支承系统。 磁悬浮轴承具有无摩擦、无磨损、高速度、高精度 及可长期免维护等优点，它的出现提供了解决这 一问题的可能性。本文提出了一种磁悬浮支承主 １．砂轮２．传感器３．前辅助轴承４．前径向轴承 轴的径向和轴向轴承结构参数设计的具体方法与 步骤，并设计了某型号样机［］］。 ５．转轴６．轴向轴承７．冷却水套９．后径向轴承８．电机部分 电主轴的基本结构 磁悬浮电主轴样机的基本结构如图１所示。 主要结构由电机部分、电磁支承系统、辅助支承系 收稿日期：２００７—０８—１５ １Ｏ．后辅助轴承 图１皂主轴结构图 系统中为了减少各信号问的相互干扰，在电 基金项目：合肥市重点科技攻关资助项目（０５０２０３Ｄ２） 作者简介：田杰（１９６８～），男，安徽合肥人，博士，合肥工业大学副教授，硕士生导师 维普资讯 http://www.cqvip.com 第１２期 田 杰，等：新型高速磨床主轴用磁悬浮轴承的设计 １６２５ 磁轴承部分添加了隔磁装置。考虑电磁轴承的安 全和非工作状态轴的支撑，在主轴系统中，需要安 装保护轴承［２］，另外由于径向、轴向磁轴承剩磁的 影响，要求保护轴承应既能承受径向载荷又能承 受轴向载荷，可采用深沟球轴承。 ２径向电磁轴承结构设计 径向电磁轴承的基本结构如图２所示。 图２径向轴承结构图 由电机功率和转速大小估算轴径尺寸，由要 求的最大电磁力和定子的长径比确定定子内径和 定子长度Ｌ，另外初始位置的电磁吸力应大于该 位置上的反力，即吸力与反力之间加一个安全系 数ｋ ，约为１．１～１．５［引，计算如下： Ｆ。一ｋ （Ｆ 一Ｇ ） Ｆｑ一 Ｓ—Ｚ Ｌ 其中，Ｆ口为最大起浮力； 为可承受最大载荷； Ｇ２为转子轴重；ｋ为电磁力系数；Ｊ为电流；Ｎ为 线圈匝数； 为转子轴在非工作状态时的最大气 隙；Ｓ为单个磁极的正对面积；ｚ为极靴弧长；Ｌ为 定子轴向长度。 从减小轴承体积和易于控制两方面考虑，一 般取 约为轴承直径的５‰左右［４］。径向轴承定 子槽有梨形槽、矩形槽及梯形槽等，圆口圆底槽便 于制造冲模，在槽满率相同的情况下，圆底槽下线 比平底槽容易，且圆底槽槽绝缘不容易损坏［５］，因 此在这里定子槽选用梨形槽。极间气隙ｅ一般取 ３ ｍｍ左右，考虑冲模模刃强度与槽口高的关系， 一般槽口高度应不小于０．８ ｍｍ。 静态磁感应强度Ｂ０不能事先确定，设计时 取为铁心饱和磁感应强度的一半，计算磁势时留 一定余量。考虑磁饱和及发热问题，在求磁势时， 从铁心的饱和磁感应强度Ｂ 为出发点，取最大 磁感应强度Ｂ 一０．８ Ｔ，线圈的电流密度取得越 高，则线圈发热越厉害，一般根据磁铁的工况来选 择，考虑点磁轴承的长期连续工作制，取电流密度 ≤３Ａ／ｍｍ ［６］，则线圈所需安匝数（磁势）为 Ｆ—ＩＮ：旦 Ｏ 工作电流取Ｊ。，线径可由下式计算得 ｄｃ一 最大电流Ｊ （当 ≤３ Ａ／ｍｍ２）确定单极线 圈匝数为Ｎ—Ｆ／Ｊ 。通常的设计先给出窗口面 积来选择导线参数，但有时无法满足要求。先由 线径和匝数估算出定子窗口面积为Ｓ 一２Ｎ７ｃ ／ ４尼 ，这样能够完全达到所需安匝数，进而获得要 求的磁感应强度。 其中，ｋ 为填充系数（跟线径、缠绕方式、绝 缘方式及下线工艺等有关 ），磁极高度ｌ 可由 线槽面积和线槽的形状求出，进一步可以求得窗 口半径Ｒ和磁轭高度Ｈ，以及定子外径Ｄ 。 通过温升校核来验证所取工作电流是否满足 要求，温升ｌ６］计算为 ｍ ｍ一筹 一Ｓ ＋‰Ｓ 其中， 为线圈的散热系数；Ｒ为线圈电阻；Ｊ为 线圈电流； 为线圈的散热表面积；Ｓ 为线圈的 外表面积；Ｓ 为线圈的内表面积；ｒ／ｍ为由线圈结 构而确定的系数，一般取０～２．４。 线圈端部的高度 ｈ一（ １＋ｄ２）× 其中 ｄ１一Ｄ３＋２ａ＋２ｂ＋２ｆ ｄ２一Ｄ３＋ｚ ＋Ｒ＋２ｎ＋２６＋２／ 此处ｎ、ｂ为极靴的工艺尺寸；ｆ为绝缘片的厚度； ｄ 、ｄ 为线槽的内径和外径。 线圈电感为 Ｌ 一Ｎ２ｆｆｏ＆／ａ 其中，Ｓ－为线圈面积。 ３轴向电磁轴承结构设计 轴向轴承的结构如图３所示，转子盘在非工 作状态时最大气隙为 ，此时磁势为，Ｆ—ＩＮ＝ Ｂ ／ｆｆｏ。由最大起浮力Ｆ眦 一 Ｊ Ｎ２ｓ／２ 得 磁极正对面积Ｓ，磁极面积比可通过电磁力最大 维普资讯 http://www.cqvip.com
１６２６ 合肥工业大学学报（自然科学版） 第３Ｏ卷 优化确定。线圈的线径、匝数设计同径向轴承，窗 口面积 一７￣ｄ：Ｎ／４ｋ ， 一ａｂ。Ⅱ，ｂ的比例尺 寸可通过对用铜量最少优化确定。 此处考虑漏磁的影响ｌ８］，采用有限元法确定 定子内径与转子盘的间隙，并且转子盘材料采用 黄铜，从而可以求得轴向轴承的主要尺寸。 最后再进行温升校核，设计步骤与径向轴承 相同。 图３轴向轴承结构图 ４ 实 例 运用所述的设计方法，设计了功率５．５ ｋＷ， 转速４８ ０００ ｒ／ｍｉｎ的高速磨床主轴样机。 ４．１径向电磁轴承尺寸参数 前（后）轴承如下： 磁极数Ｎ。一１６，定子内径Ｄ ＝５０ ｍｍ，定子 中径Ｄ２—７４ ｍｍ，定子外径Ｄ。一９７ ｍｍ，磁极宽 度 ．一５．４４ ｍｍ，极靴弧长 一６．８２ ｍｍ，极间气 隙ｅ一３ ｍｍ，磁极高度 一８．５ ｍｍ，线槽半径 Ｒ＝４．５１ ｍｍ，磁轭高度ｈ一６．８ ｍｍ，名义气隙 一０．２ ｍｍ，最大电流ｊ 一２．１１４ Ａ，线径ｄ 一 ０．６７ ｍｍ，工艺尺寸口一ｌ ｍｍ，ｂ—ｌ ｍｍ，绝缘片 厚度．厂一１．５ ｍｍ，线圈匝数Ｎ一７８，单磁极面积 Ａ一２９４．６ ｍｍ。，定子长度Ｌ＝４５ ｍｍ（３５ ｍｍ）， 单极靴弧圆心角０一ｌ５．６。，电流密度 ：１～３ Ａ／ｍｍ ，温升ｔ一２８℃，负载能力Ｆ一６００ Ｎ，单 极电感Ｌ ｂ一１１ ｍＨ，功放最小电流ｊ一２．１１４ Ａ ４．２推力电磁轴承尺寸参数 具体参数如下： 磁极面积Ａ一７８５．３９８ ｍｍ ，名义气隙 一０．３ ｍｍ，线圈匝数Ｎ一１３６，最大电流 一 ２．１１４ Ａ，电流密度５—１～３ Ａ／ｍｍ ，Ｄ】一 １０２ ｍｍ，Ｄ２—８４ ｍｍ，口一９ ｍｍ，６—１５ ｍｍ，线径 ｄ ＝０．６７ ｍｍ，温升ｔ一３６．８。Ｃ，负载能力Ｆ一 １ ０００ Ｎ，电感Ｌｒｂ：６０ ｍＨ，功放最小电流ｊ一 ２．１１４ Ａ，Ｄ３—６８ ｍｍ，Ｄ４—５０ ｍｍ，ｃ一５ ｍｍ， 一３４ ｍｍ。 ５结束语 与普通轴承支承的主轴相比，电磁轴承具有 速度高、支承刚度大、便于实现调节与控制、无摩 擦与磨损、寿命长等突出优点。 迄今为止，对磁浮轴承的结构设计仍没有统 一、完善的方案，本文在结合电磁铁与电机的设计 方法，同时考虑加工工艺及安装的方便性及铁心 的磁饱和带来的影响，并使漏磁达到最少的基础 上，提出了高速磨床电磁轴承设计的基本方法与 步骤，并设计了样机。随着电磁轴承设计方法的 不断完善与提高，必将促进高速切削技术的进一 步发展。 参考文 献 ［１］，自华，王春兰，等．磁悬浮支承技术在机床中的 应用［Ｊ］．机械工程师，２００５，（８）：１５—２Ｏ． Ｅ２］虞烈．可控磁悬浮转子系统ＥＭ］．北京：科学出版社， ２００３：１８５—２４０． Ｅ３］张冠生，陆偷国．电磁铁与自动电磁冗件［Ｍ］．北京：机械 工业出版社，ｌ９８２：９Ｏ一１３０． ［４］沈钺，虞烈．电磁轴承及其控制系统的设计原理及参 数选择［Ｊ］．轴承，２００２，（９）：ｌ３—１４． ［５］王永昌．电机制造工艺学［Ｍ］．北京：机械工业出版社， １９８４：４７—１７０． ［６］ 蔡国廉．电磁铁ＥＭ］．上海： 海科学技术出版社，１９６５： ３Ｏ一１８Ｏ． Ｅ７３ Ｇ施韦策，Ｈ．布鲁勒，八特拉克斯勒．主动磁轴承一一基 础、性能及应用ＥＭ］．虞烈，袁崇军译．北京：新时代出版 社，１９９７：３Ｏ一１１０． Ｅｓ］王澄泓，汪希平，周朝暾，等．电磁推力轴承磁场的有限元 计算及漏磁分析［Ｊ］．机械设计Ｌｊ研究，２００４，（５）；５２—５５． （责任编辑吕杰）
