永磁同步电机在高速电主轴系统中的应用

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1、永磁同步电主轴技术与应用摘要：伴随着高速高效高精加工技术的飞速发展，高端数控机床针对电主轴的技术需求深度和广度都不断拓展。特别是近几年来，基于永磁同步电机的电主轴技术与产品得到了快速的发展和广泛的应用。本文结合笔者在电主轴技术研究和产品开发过程中所涉及的关键技术问题，尤其是永磁同步电机在高速电主轴系统中的应用问题进行了广泛深入的探讨，希望以此对国内永磁同步电主轴产品技术开发与推广应用有所促进。一、引言高速高精高效加工，是数控机床永恒的追求目标和发展趋势。高效率需要高速度，在航空零件加工中尤为突出。飞机机身结构件的典型零件有梁、筋、肋板、框、壁板、接头、滑轨等类零件。

2、且以扁平件、细长件、多腔件和超薄壁隔框结构件为主。毛坯为板材、锻件和铝合金挤压型材，90％以上为铝合金件。材料利用率仅为5％-10％左右，原材料去除量非常大大（1）。材料去除量大，在粗加工阶段，需要主轴具备足够的转矩输出能力，满足大吃刀切削。整理结构，多腔超博，又需要用小刀具清根，修光。小刀具则需要主轴有足够高的转速，以满足刀具的切削速度需求。因此，航空铝合金零件的加工就需要机床主轴不但具备低速大转矩输出，同时又能在小刀具加工时具备足够高（20000rpm以上）的工作转速。在磨具加工行业，近年来大量使用的高速雕铣机，在高速电主轴的助推下，利用小刀具的微刀痕特点，大大

3、提高了各种材质模具制造的精度和速度。随着雕铣机床的进一步发展，雕铣机也逐渐进入零件加工领域，因此对主轴的低速输出转矩也提出较高的要求。平板电脑、苹果手机等高端电子消费品的快速发展，是当今时代最大的亮点之一。这类日用电子消费品，更新速度之快，不但让人眼花缭乱，而且使数控钻攻中心机得以急速发展。这类机床除了具备现代数控机床的基本特征外，必须具备在6000rpm以上高速刚性攻丝的能力。综合上述三个典型的行业需求，需要数控机床电主轴同时具备三种特点，低速大转矩输出、20000rpm以上的工作转速、可以高速刚性攻丝。永磁同步电主轴则是同时具备这三个特征的最佳电主轴产品。本文就

4、是通过对永磁同步电主轴基本结构，关键技术，以及在不同机床领域里的应用介绍，希望大家对永磁同步电主轴能有比较全面的认识和借鉴。二、永磁同步电主轴的基本结构及其特点永磁同步电主轴与传统电主轴的最大区别是采用了稀土永磁同步电机作为主轴的驱动动力源，除此之外，基本结构与异步电机驱动的电主轴结构基本相同。图1为典型的雕铣机用异步电主轴结构，图2为典型的雕铣机用永磁同步电主轴结构。两者结构上最大的区别是图1中的9为感应式鼠笼转子，图2中的16为稀土永磁转子。另外，图2中的20为编码器，是为了较高的速度控制精度而增加的速度和位置反馈元件。图1、典型的雕铣机用异步电主轴图2、典型的

5、雕铣机用永磁同步电主轴结构上的区别是由于两者电机工作原理的不同所致，其本质的区别是电主轴外特性的巨大差异。异步电主轴由于采用感应式转子，同等转矩输出比永磁同步电机体积大三分之一；由于转子中有感应电流通过，转子铜损严重，会引起转子较大的发热，从而影响主轴的加工精度。其优点是可以在开环驱动下工作，多数场合不需要编码器；可以获得较高的工作转速。其缺点是低速（几千rpm以下）转矩小，甚至无法正常带载；相同体积下的转矩密度较低；由于动态响应速度慢，无法实现快速正反转切换，要实现高速刚性攻丝非常困难。相对于异步电主轴的诸多不足，永磁同步电主轴具有体积小，转矩密度高，低速大转矩输

6、出，转子发热小等优势，尤其是较高的动态响应速度，很容易实现较高的稳速精度和快速正反转切换，特别适合高速刚性攻丝。但永磁同步电机也有其不足，就是高速运行时需要很好的弱磁扩速控制策略，高速范围不如异步电主轴宽；高精度的控制则需要性能较高的驱动技术支持。稀土磁钢和高性能驱动器的应用则导致永磁同步电主轴的成本远远高于异步电主轴。上述仅仅是雕铣机用电主轴的基本结构及特点，根据不同机床的具体需求，加工中心用电主轴，车削用电主轴，磨削用电主轴都在此基础上有不同的变化。本文在永磁同步电主轴具体应用介绍中会进一步说明。一、永磁同步电主轴的关键技术永磁同步电主轴是各种技术和元件综合应用

7、的新产品，所涉及的技术和领域较多，本文主要从电机、轴承、动平衡、润滑、冷却和控制几个方面加以说明。1、电机技术电机技术是永磁同步电主轴的核心，正是因为有了永磁同步电机的应用，才使得电主轴具有低速大转矩、高速范围宽、快速正反转切换等突出优点。众所周知，稀土永磁电机的先天优势是低速大转矩输出，这与电主轴所要求的宽调速范围是矛盾的，如何兼顾低速转矩和较高的工作转速是客服这一矛盾的关键。需要根据不同的应用场合，结合速度优化和转矩优化（2电机技术优化），实现较佳的组合和妥协。只有从基本的磁路设计入手，选择合适的磁钢性能，结合弱磁扩速等先进的控制策略，才能达到较为合理的电机