一种基于无齿槽电机的电主轴
阅读说明：本技术 一种基于无齿槽电机的电主轴 (Electric spindle based on gearless slot motor ) 是由 郝凌霄 付江寒 吴立英 黄晓雷 徐润 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于无齿槽电机的电主轴,包括套筒、主轴、轴承、定子和转子,定子、转子、主轴由外向内依次同轴设置于套筒内部,主轴通过轴承支撑,可在定子和转子的相互作用下旋转；其中,所述定子包括定子绕组,定子绕组是由多个线圈围成的圆柱环结构,线圈沿圆柱环周向均匀分布；每个线圈分别包含一个或多个串联在一起的线圈单元,各线圈单元沿圆柱环径向中心对齐叠压分布,并且在叠压方向上相互绝缘。本发明损耗低,发热小,转矩常数线性度好,振动低,加工精度高,可满足高速高精度的加工要求。(The invention relates to an electric main shaft based on a toothless groove motor, which comprises a sleeve, a main shaft, a bearing, a stator and a rotor, wherein the stator, the rotor and the main shaft are sequentially and coaxially arranged inside the sleeve from outside to inside; the stator comprises a stator winding, the stator winding is a cylindrical ring structure formed by a plurality of coils in a surrounding mode, and the coils are uniformly distributed along the circumferential direction of the cylindrical ring; each coil comprises one or more coil units connected in series, and the coil units are aligned and laminated along the radial center of the cylindrical ring and are insulated from each other in the laminating direction. The invention has the advantages of low loss, small heat generation, good torque constant linearity, low vibration and high processing precision, and can meet the processing requirements of high speed and high precision.)
技术领域
本发明属于数控加工领域，特别涉及一种基于无齿槽电机的电主轴。
背景技术
电主轴是一种应用在数控机床，将主轴与主轴电机合二为一的结构。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、噪声低、响应快等优点，可以简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。用在高精度机床上的电主轴，不但要求主轴转速高，而且要求其旋转精度高、振动小，热伸长小，因此要求主轴电机具备损耗低，转矩波动小等特点。而现有的电主轴多采用有齿槽电机结构，其定子齿部结构均为硅钢片叠压而成，运转过程中，主磁通在定子铁芯齿部和轭部均会产生磁滞损耗和涡流损耗，增加电机的机械损耗和温升，并且还会加大电机的整体重量。另外由于齿槽电机齿槽转矩高，转矩波动大容易导致电主轴振动增强，影响加工精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种损耗低，发热小，转矩常数线性度好，振动低，加工精度高基于无齿槽电机的电主轴，可满足高速高精度的加工要求。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于无齿槽电机的电主轴，包括套筒、主轴、轴承、定子和转子，定子、转子、主轴由外向内依次同轴设置于套筒内部，主轴通过轴承支撑，可在定子和转子的相互作用下旋转；其中，所述定子包括定子绕组，定子绕组是由多个线圈围成的圆柱环结构，线圈沿圆柱环周向均匀分布；每个线圈分别包含一个或多个串联在一起的线圈单元，各线圈单元沿圆柱环径向中心对齐叠压分布，并且在叠压方向上相互绝缘。
上述一种基于无齿槽电机的电主轴，所述定子绕组还包括上支撑板、下支撑板、以及端接电路板，上支撑板、下支撑板和端接电路板均为环形结构，所述线圈安装于上支撑板和下支撑板之间，并沿上支撑板和下支撑板的周向均匀分布；各线圈分别通过焊接形式与端接电路板连接；端接电路板安装于上支撑板上。
上述一种基于无齿槽电机的电主轴，所述上支撑板与下支撑板之间的线圈是单层排列，或者是内外双层排列，双层排列时内外两层中心对齐，内外层之间设置有层间绝缘装置。
上述一种基于无齿槽电机的电主轴，所述线圈单元是导体以涡旋轨迹由内向外延展而成，导体的首端位于涡旋轨迹的内侧，尾端位于涡旋轨迹的外侧，线圈单元间导体的连接采用“首首相接，尾尾相接”形式，即：第奇数个线圈单元中导体的首端与其相邻的后一个线圈单元的导体首端连接，尾端则与其相邻的前一个线圈单元的导体尾端连接，第偶数个线圈单元的导体首端与其相邻的前一个线圈单元的导体首端连接，尾端则与其相邻的后一个线圈单元的导体尾端连接；或者，第奇数个线圈单元中导体的首端与其相邻的前一个线圈单元的导体首端连接，尾端则与其相邻的后一个线圈单元的导体尾端连接，第偶数个线圈单元的导体首端与其相邻的后一个线圈单元的导体首端连接，尾端则与其相邻的前一个线圈单元的导体尾端连接。
上述一种基于无齿槽电机的电主轴，所述线圈单元中相邻线圈单元导体的涡旋方向相反。
上述一种基于无齿槽电机的电主轴，所述线圈单元以铜板为导体，通过线切割加工、铣削加工、3D打印、激光切割、化学腐蚀其中一种方式加工而成；或者线圈单元以漆包线为导体绕制而成。
上述一种基于无齿槽电机的电主轴，所述定子还包括定子轭部和轭部绝缘层，定子轭部的内表面上设置有轭部绝缘层，定子绕组安装于定子轭部内侧，并与轭部绝缘层相贴合；定子轭部由导磁材料或非导磁材料制成。
上述一种基于无齿槽电机的电主轴，所述定子轭部上设置有冷却水道。
上述一种基于无齿槽电机的电主轴，所述套筒内表面设置有套筒绝缘层，定子绕组固定在套筒内侧，并与套筒绝缘层相贴合。
上述一种基于无齿槽电机的电主轴，所述套筒上设置有外冷却水道。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明采用无定子齿部铁芯的内部驱动结构，不仅降低了电机整体重量和转动惯量，而且消除了齿部产生的铁芯损耗，有效降低了机械损耗，提高了效率，降低了发热，减小了主轴热伸长，使电主轴不同工况运行温度更趋于一致，大大降低了工况切换带来的电主轴加工误差；同时也消除了电机的齿槽效应，转矩脉动小，转矩常数线性度和动态响应好，降低了主轴振动，有利于保证电主轴运行的平稳性。
附图说明
图1是本发明实施例1内部结构示意图。
图2是本发明实施例1横截面结构示意图。
图3是本发明实施例1定子结构示意图。
图4是本发明定子绕组的单层结构示意图。
图5是本发明定子绕组的双层结构示意图。
图6是本发明由奇数个线圈单元组成的线圈结构示意图。
图7是本发明由偶数个线圈单元组成的线圈结构示意图。
图8是本发明线圈单元的结构示意图。
图9是发明实施例2结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1。
结合图1至图3所示，本发明的一种基于无齿槽电机的电主轴，包括定子1、转子2、主轴3、套筒4和轴承5。定子1、转子2、主轴3由外向内依次同轴设置于套筒4内部，主轴3通过轴承5支撑，可在定子1和转子2的相互作用下旋转。
定子1包括定子轭部11、定子绕组12和轭部绝缘层13，定子轭部11的内表面上设置有轭部绝缘层13，定子绕组13安装于定子轭部11的内侧，并与轭部绝缘层13相贴合。定子轭部由导磁材料或非导磁材料制成。由导磁材料制成时构成无齿槽旋转电机，由非导磁材料制成时，则构成无铁芯旋转电机，两种形式均不存在齿部饱和效应。为进一步降低发热，在定子轭部11上可设置冷却水道，以带走定子绕组12产生的热量。
如图4所示，定子绕组12包括线圈121、上支撑板122、下支撑板123和端接电路板124。线圈121安装于上支撑板122和下支撑板123之间，并沿上支撑板122和下支撑板123的周向均匀分布。各线圈121分别通过焊接形式与端接电路板124连接，上支撑板122上设置有可容置端接电路板124的电路板槽，端接电路板124固定安装于该电路板槽中。图4显示的是定子绕组12由线圈单层排列的组成情况，如图5所示，定子绕组12还可以分别由线圈121内外双层排列组成，内层线圈和外层线圈均沿周向均匀分布，并且内外层的线圈数量相等，中心对齐，内层和外层之间设置有层间绝缘装置125。
结合图6至图8所示，线圈121包括M个线圈单元1211，每个线圈单元1211是由导体6以涡旋轨迹由内向外延展而成，其首端位于轨迹内侧，尾端位于轨迹外侧。M个线圈单元1211沿线圈单元1211的法向依次叠压，相邻线圈单元1211之间设置有绝缘层1212，绝缘层1212可以是空气间隙、也可以是绝缘纸、石墨烯、石墨膜等绝缘材料，或者使用导热绝缘固化胶灌封。各线圈单元1211中的导体6采用“首首相接，尾尾相接”形式串联成一个整体，其中第一个线圈单元的导体首端与第二个线圈单元的导体首端连接，第二个线圈单元的导体尾端与第三个线圈单元的导体尾端连接，第三个线圈单元的导体首端与第四个线圈单元的导体首端连接，以此类推连接至第M个线圈单元，若M为奇数，则第一个线圈的尾端和第M个线圈的首端为整个线圈结构的输入输出端，如图6所示；若M为偶数，则第一个线圈的尾端和第M个线圈的尾端为整个线圈结构的输入输出端，如图7所示。
为方便线圈单元1211之间的连接，每个线圈单元1211的导体首端均设置有P型焊接区61。线圈单元1211叠压时，相邻两个线圈单元中心对齐，互为镜像结构，即第奇数个线圈单元与第偶数个线圈单元导体的涡旋方向相反。
线圈单元1211可以采用铜板作为导体，通过线切割加工、铣削加工、3D打印、激光切割、化学腐蚀其中一种方式加工而成，也可以采用漆包线作为导体绕制而成。当采用铜板结构时，导体6每圈之间均设置有间隙δ，以保证导体间绝缘；当导体采用漆包线时，该间隙可为0，即δ=0。
实施例2。
本实施例的结构与实施例1的结构基本一致，所不同的是本实施例的定子1不包含定子轭部11，仅由定子绕组12组成，如图9所示，定子绕组12直接安装于套筒4的内侧，为保证绝缘性，在套筒4的内表面设置有套筒绝缘层41，定子绕组12安装于套筒4内侧后与套筒绝缘层41相贴合，为进一步增加绝缘性和刚性，还可通过导热绝缘固化胶灌封。套筒4内设置有外冷却通道42，通入冷却液后可对主轴整体进行冷却。
尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。
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