技术领域
[0001] 本
发明属于动
力控制设备技术领域，涉及一种高速电主轴非接触电磁加载装置。
背景技术
[0002] 高速电主轴作为新兴技术已广泛应用于加工制造业，以实现数控机床高速、高
精度加工。为提高高速数控机床的加工精度和可靠性，需要对高速电主轴负载运行时的可靠性及动态性能进行试验研究，该试验首先要解决高速电主轴的加载问题。目前，国内外关于高速电主轴试验的加载问题研究较少，所提加载方法仍为低速
电机加载中采用的对拖式加载，即作为加载装置的测功机与电机同轴连接，给电机主轴提供负载
扭矩，测出电机主轴的转速、扭矩等参数。由于普通电机的转速比较低，接触式加载可满足要求，但对于高速电主轴，若采用接触式加载，高速运转时会产生大量摩擦热及机械磨损大，难以实现加载控制和高速电主轴负载时的稳定运行；同时，现有高速电主轴对拖式加载装置还存在如下一些不足：(1)只能提供主轴的负载扭矩加载，不能提供主轴的径向力加载。(2)由于采用
联轴器连接，存在机械磨损、振动及
同轴度不能精确保证的问题，由此产生的
离心力使高速电主轴振动、摆动加剧，以致高速时无法实现加载。因此，高速电主轴的试验加载不宜用接触式加载。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种高速电主轴非接触电磁加载装置，解决了
现有技术中高速电主轴难加载问题。
[0004] 本发明所采用的技术方案是，一种高速电主轴非接触电磁加载装置，包括机械部分和电气部分，
[0005] 所述的机械部分结构是，在
工作台上设置有支座和整体
支架，支座上固定有电主轴，电主轴的轴心内腔套装有芯轴，芯轴伸出电主轴的一端同轴连接有加载圆盘，加载圆盘的外端设置有平衡装置；加载圆盘沿轴向设置有斜通孔；所述的整体支架环绕加载圆盘设置，加载圆盘与整体支架位于同一竖直面内，在加载圆盘竖直方向正下方的整体支架下部安装有径向力加载电磁
铁，径向力加载电
磁铁为U形电磁铁，径向力加载电磁铁的两端分别缠绕有直流励磁线圈①和直流励磁线圈②；加载圆盘轴心
水平两侧的整体支架上安装有右扭矩加载电磁铁和左扭矩加载电磁铁，右扭矩加载电磁铁和左扭矩加载电磁铁均为直铁芯，分别绕有直流励磁线圈③和直流励磁线圈④，直流励磁线圈③和直流励磁线圈④的线圈轴线与加载圆盘的水平直径线为同一条直线；
[0006] 所述的电气部分结构是，包括
磁场控制器，加载量测试值和加载量设定值为磁场控制器输入
信号；磁场控制器输出端与PWM
开关功率
放大器的控制
电路输入端连接，PWM开关
功率放大器的加载电路输出端同时与直流励磁线圈①、②和③、④连接；PWM开关功率放大器的输入端还与
二极管整流电路和整流
变压器依次连接，磁场控制器还与工控机连接。
[0007] 本发明的有益效果是，有效地解决了高速电主轴难以加载的问题，既能提供主轴的负载扭矩加载，又能提供主轴的径向力加载；装置造价低、安装使用方便、可靠性高，经济效益显著。
附图说明
[0008] 图1为本发明装置的结构示意图；
[0009] 图2为本发明装置整体支架一侧的侧视结构图；
[0010] 图3为本发明装置中的加载圆盘及平衡装置局部放大图；
[0011] 图4为本发明装置的电路部分连接示意图；
[0012] 图5为本发明装置中的四组电磁线圈连接结构示意图。
[0013] 图中，1.电主轴，2.加载圆盘，3.整体支架，4.斜通孔，5.
平衡块，6.平衡盘，7.T型槽，8.径向力加载电磁铁，9.整流变压器，10.二极管整流电路，11.PWM开关功率放大器，12.磁场控制器，13.工作台，14.支座，15.右扭矩加载电磁铁，16.左扭矩加载电磁铁，17.滤波电容，18.PWM
波形发生器，19.隔离驱动电路，20.径向力加载电路，21.扭矩加载电路，22.
锁紧
螺母，23.锁紧圆螺母，24.
法兰，25.芯轴，①、②、③和④为四个直流励磁线圈。
具体实施方式
[0014] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0015] 如图1、图2、图3，本发明装置的机械部分结构是，在工作台13上设置有支座14和整体支架3，支座14上固定有电主轴1，电主轴1的轴心套装有芯轴25，芯轴25伸出电主轴1的一端同轴连接有法兰24，法兰24通过锁紧螺母22与芯轴25固定连接，法兰24上套装有加载圆盘2，加载圆盘2与整体支架3位于同一竖直面内，加载圆盘2的外端设置有平衡盘6，平衡盘6沿圆周开设的T型槽7中设置有多个平衡块5，平衡盘6的外端设置有锁紧圆螺母23，锁紧圆螺母23用于将平衡盘6固定在法兰24上，从而将加载圆盘2夹紧在法兰
24上。
[0016] 参照图3，加载圆盘2的动平衡装置是，在平衡盘6的环形T型槽7中设置三块平衡块5，通过移动平衡块5的
位置进行动平衡调整。加载圆盘2沿轴向设置有斜通孔4，当电主轴高速旋转时可形成高速气流，实现自动
风冷，可满足长时间连续加载需要，无需增加复杂的冷却装置。
[0017] 参照图2、图5，整体支架3为精密加工的
框架结构，整体支架3满足对称性要求，在整体支架3中安装有径向力加载电磁铁8、左扭矩加载电磁铁16和右扭矩加载电磁铁15，位于加载圆盘2下方的径向力加载电磁铁8上设置有直流励磁线圈①和直流励磁线圈②，直流励磁线圈①和直流励磁线圈②的线圈轴线对称并平行于加载圆盘2的竖直直径线，加载圆盘2左右两侧设置有右扭矩加载电磁铁15和左扭矩加载电磁铁16，右扭矩加载电磁铁15和左扭矩加载电磁铁16上分别绕有直流励磁线圈③和直流励磁线圈④，直流励磁线圈③和直流励磁线圈④的线圈轴线与加载圆盘2的水平直径线为同一条直线，直流励磁线圈①、②和③、④分别形成各自的直流磁场，通过与加载圆盘2配合作用，产生稳定的电磁加载力、扭矩。
[0018] 参照图1、图4，本发明的电气控制部分结构是，加载量测试值e和加载量设定值f为磁场控制器12
输入信号，输入信号e和f形成的偏差量作为磁场控制器12的PI控制
算法输入量，经PI控制算法调节产生的
输出信号接
脉宽调制(PWM)开关功率放大器11的控制电路输入端，PWM开关功率放大器11的加载电路输入端与二极管整流电路10和整流变压器9依次连接，PWM开关功率放大器11的加载电路输出端与直流励磁线圈①、②和③、④同时连接，直流励磁线圈①、②和③、④由PWM开关功率放大器11产生稳定的直流励磁
电流，并由磁场控制器12完成直流励磁电流的控制；磁场控制器12和作为上位机的工控机连接，工控机可生成
人机交互操作界面，以输入加载量设定值f及其它参数，该输入的设定值f等参数通过串口通信传送给磁场控制器12，磁场控制器12接收的加载量检测值由串口通信传送给工控机进行显示。
[0019] 参照图4，PWM开关功率放大器11由加载电路和控制电路两部分组成。电路结构一致的径向力加载电路20和扭矩加载电路21组成PWM开关功率放大器11的加载电路部分；其中，径向力加载电路20的输出接线端口为a端、b端，直流励磁线圈①和直流励磁线圈②差动串接后接a端、b端，扭矩加载电路21的输出接线端口为c端、d端，直流励磁线圈③和直流励磁线圈④串接后接c端、d端；径向力加载电路20和扭矩加载电路21均选用西
门康(SEMIKRON)公司的绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)模块，型号为SK100GH128T，该型号IGBT模块内部由两个
绝缘栅双极晶体管(IGBT)和两个快速恢复二极管(
续流二极管)构成半桥斩波电路，此半桥斩波电路封装成整体IGBT模块，作为PWM开关功率放大器的加载电路，具有充电、放电、续流三种状态，即为三电平PWM开关功率放大器，其输出电流纹波很小，满足稳定加载需要。
[0020] 径向力加载电路20和扭矩加载电路21的输入端同时与二极管整流电路10输出端并联连接，二极管整流电路10输出端还并联有滤波电容17，可滤除整流输出直流信号中的交流
干扰信号，二极管整流电路10为6个同型号
整流二极管构成的三相桥式不可控整流电路，该电路选用广州钜兴公司生产的整流二极管组桥，型号为DSRIM，二极管整流电路10输入端与整流变压器9输出端连接，整流变压器9输入端接三相工频交流电。
[0021] 径向力加载电路20和扭矩加载电路21中的IGBT控制极均与隔离驱动电路19输出端连接，该隔离驱动电路由HCPL4504型高速光耦实现径向力加载电路20、扭矩加载电路21与IGBT模块驱动电路间的隔离，驱动电路选用西门康(SEMIKRON)公司生产的IGBT专用驱动集成芯片，型号为SKH123/12，隔离驱动电路19输入端与PWM波形发生器18输出端连接，该波形发生器选用美国德州仪器公司生产的
电压驱动型脉宽调制(PWM)控制集成电路，型号为TL494，PWM波形发生器18输入端与磁场控制器12连接，该控制器选用ATMEL公司生产的8位
单片机，型号为AT89S8253，支持在线编程；磁场控制器12的输入为实际加载量测试值e和加载量设定值f，磁场控制器12根据该两个输入量比较后的偏差量经PI控制算法调节后产生
控制信号输出，此输出控制信号通过波形发生器18产生PWM波形输出，输出的PWM信号经隔离驱动处理后控制径向力加载电路20和扭矩加载电路21中IGBT的通断，产生可控制的直流励磁电流，形成所需的加载力，此部分电路组成PWM开关功率放大器
11的控制电路。
[0022] 二极管整流电路10输出的直流电源分别通过径向力加载电路20和扭矩加载电路21的两个接头各自与直流励磁线圈①、②和③、④连接，通过PI调节控制直流励磁电流大小，完成径向电磁加载力F及扭矩M的调节。当同时接通径向力加载电路20和扭矩加载电路21的电源，则在加载圆盘2上同时产生径向加载力F及扭矩M，实现径向力及扭矩的同时加载。
[0023] 参照图2、图4、图5，径向力加载电磁铁8安装在加载圆盘2单侧竖直方向的整体支架3下部，该电磁铁为U形电磁铁，其两端分别接直流励磁线圈①、②，所述直流励磁线圈①、②的励磁电流由PWM开关功率放大器11径向力加载电路20的a、b连接端头提供，在I、II处形成均匀气隙磁场，I、II处气隙磁场分别在与导磁加载圆盘2接触的外圆柱面上产生垂直于外圆柱面向外的中心径向麦克斯韦电磁力，并合成为竖直向下的中心径向电磁力fn；同时，由于加载圆盘2按图5中所示方向旋转时会产生附加的切向洛伦磁力合力ft，ft向加载圆盘2的圆心平移后形成水平径向力ft和附加扭矩M2(M2＝ft·D/2)；fn和ft合成为加载圆盘2的中心总径向电磁力F。
[0024] 参照图2、图4、图5，右扭矩加载电磁铁15和左扭矩加载电磁铁16安装在加载圆盘2水平两侧的整体支架3上，左扭矩加载电磁铁16和右扭矩加载电磁铁15与加载圆盘2的间隙处为图中的III处、IV处，该两组电磁铁为直铁芯，分别绕有直流励磁线圈④和直流励磁线圈③，其励磁电流由PWM开关功率放大器11的扭矩加载电路21的c、d端头提供，在III、IV处形成均匀气隙磁场，III、IV处气隙磁场与旋转的加载圆盘2相互作用产生洛伦磁力fa、fb，由于fa、fb等值、反向，故在加载圆盘2上形成加载扭矩M1(M1＝fa·D/2+fb·D/2)；加载扭矩M1和附加扭矩M2合成为总加载扭矩M；同时，III、IV处气隙磁场分别在与导磁加载圆盘2接触的外圆柱面上产生垂直于外圆柱面向外的水平中心径向麦克斯韦电磁力，且两方向水平中心径向麦克斯韦电磁力等值、反向，合力为零。
[0025] 本发明装置加载前的准备工作包括，一方面，如图3，将法兰24通过锁紧螺母22固定到芯轴25上，把加载圆盘2和平衡盘6套在法兰24上，由锁紧圆螺母23固定，将该组件在动平衡机上完成动平衡，并固定三块平衡块5，将平衡后的组件通过芯轴25卡装到电主轴1上；另一方面，如图2，调整整体支架3水平和竖直位置，使径向力加载电磁铁8、右扭矩加载电磁铁15和左扭矩加载电磁铁16与加载圆盘2间气隙均为1mm。
[0026] 本发明装置径向电磁力加载过程是，参照图4、图5，接通电主轴1的
变频器电源，并接通二极管整流电路10、PWM开关功率放大器11的径向力加载电路20的电源。径向力加载线圈①、②按差动方式
串联后与径向力加载电路20连接；根据差动连接方式，线圈①、②产生的磁场方向相同，在I、II处气隙形成合成磁场，由于径向力加载电磁铁8和加载圆盘2安装调整后完全对称，I、II处气隙均匀、厚度相同，均为1mm，故线圈①、②在I、II处气隙形成的合成磁场相等；由于加载圆盘2为导
磁性能好的软磁材料，故I、II处气隙磁场在加载圆盘2外圆柱面(气隙与加载圆盘接触面)上产生垂直于外圆柱面向外的中心径向麦克斯韦电磁力，并合成为通过圆盘中心竖直向下的径向电磁力fn；同时，加载圆盘2按图5中所示方向旋转，在I、II处气隙磁场作用下产生切向洛伦磁力，并合成为水平切向力ft，把ft向加载圆盘2的圆心平移，形成水平径向力ft和附加扭矩M2(M2＝ft·D/2)，把fn竖直向上平移至圆心，则fn和ft合成为通过圆心的径向力F，实现径向电磁力加载；若沿周向改变径向力加载电磁铁8的位置，可改变径向力F的方向。
[0027] 本发明装置扭矩加载过程是，参照图4、图5，接通电主轴1变频器电源，并接通二极管整流电路10、PWM开关功率放大器11的扭矩加载电路21的电源。直流励磁线圈③、④串接后与扭矩加载电路21连接，由于左扭矩加载电磁铁16和右扭矩加载电磁铁15相对于加载圆盘2安装调整后完全对称，III、IV处气隙均匀、厚度相同，均为1mm，故线圈④、③在III、IV处气隙形成的磁场相等；加载圆盘2按图5中所示方向高速旋转，切割III、IV处气隙磁场，在加载圆盘2外圆柱面上产生感应电流，感应电流产生的磁场与III、IV处气隙磁场相互作用，在加载圆盘2上产生切向洛伦磁力fa、fb，根据电磁线圈③、④的磁场方向及加载圆盘2的旋转方向，可确定III、IV处切向电磁力fa、fb的方向，由于III、IV处气隙磁场相等，故切向电磁力fa、fb大小相等、方向相反，共同作用在加载圆盘2上，形成加载扭矩M1(M1＝fa·D/2+fb·D/2)，实现扭矩加载；同时，III、IV处气隙磁场在导磁加载圆盘2外圆柱面(气隙与加载圆盘接触面)上产生垂直于外圆柱面向外的水平中心径向麦克斯韦电磁力，此两方向中心径向电磁力等值、反向，合力为零；此时，加载圆盘2仅受切向电磁力作用，形成扭矩M1加载。
[0028] 逐步调节高速电主轴转速，在主轴达到所需转速时，通过控制装置调节所需径向电磁加载力F及加载扭矩M大小，实现高速电主轴非接触电磁加载。
[0029] 本发明装置控制原理是，应用图形化编程语言在加载装置控制系统的工控机上生成加载控制操作界面，工控机选用台湾研华公司生产的
工业控制计算机，型号为IPC-610P。所需的径向力及扭矩加载设定值参数f由人机交互操作界面输入并传送到磁场控制器12输入端，工控机和磁场控制器12之间采用串口通信，完成数据传送、分析和显示。加载量测试值e反馈到磁场控制器12输入端，并在磁场控制器12中形成偏差值，控制器PI调节算法根据此偏差值计算后产生控制信号输出，输出的控制信号在PWM波形发生器18中产生PWM信号输出，该输出信号经隔离驱动电路19后控制径向力加载电路20和扭矩加载电路21中IGBT的通断，产生可控的直流励磁电流，完成径向加载力F及加载扭矩M的调节。
[0030] 本装置的发明基于以下考虑：(1)采用非接触式加载没有摩擦热及机械磨损；(2)克服了传统对拖式加载只能提供扭矩加载的问题，本发明可以实现高速电主轴径向力和扭矩同时加载；(3)不需考虑同轴度问题；(4)省去了测功机；(5)导磁盘有斜通孔，旋转时产生高速气流，可对加载圆盘和电磁铁进行
散热，省去了冷却系统；(6)结构简单，易于操作。
[0031] 本发明的有益效果是：本发明的磁场控制器12通过PWM开关功率放大器11调节直流励磁线圈的励磁电流，易于实现高速电主轴非接触加载，避免了传统对拖式加载装置与电主轴同轴连接，高速旋转时无法保证同轴度及由此引起剧烈振动等问题，以致无法实现加载。本发明采用在加载圆盘2端面开斜通孔4，利用加载圆盘2高速旋转时产生的高速气流，实现非接触电磁加载装置的自动风冷，可满足长时间、连续加载需要，避免了传统加载装置需要复杂冷却系统的问题。本发明中的加载装置结构简单，可靠性高，便于安装、使用，完全满足高速电主轴试验及动力学分析时加载需要。
