主軸驅(qū)動(dòng)的新動(dòng)向
尹華杰 林金銘 金振榮(華中理工大學(xué))
【摘 要】概述國(guó)內(nèi)外機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)狀，在主軸驅(qū)動(dòng)交流伺服化的發(fā)展背景下，基于永
磁材料的發(fā)展?fàn)顩r，提出了主軸電機(jī)的永磁同步化，并探討了主軸永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的可能性、有待解決的問(wèn)題及解決的途徑。
【敘 詞】／主軸驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)機(jī)床動(dòng)向
1機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)狀
目前，占機(jī)床總量2／3以上的普通機(jī)床和自動(dòng)機(jī)床使用普通異步主軸電機(jī)或直流主軸電機(jī)間接驅(qū)動(dòng)主軸。在數(shù)控機(jī)床方面，國(guó)外除少部分機(jī)床使用齒輪變速與電機(jī)調(diào)速相配合的主軸驅(qū)動(dòng)及一部分使用pwm直流調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸外，絕大部分則使用矢量控制的異步主軸電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸，用異步電機(jī)與主軸裝為一體的裝入式主軸驅(qū)動(dòng)的也為數(shù)不少。日本制造業(yè)正以實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)100百分之5交流化、數(shù)字化、智能化為目標(biāo)[1]。在國(guó)內(nèi)，除引進(jìn)的之外，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床多采用普通異步主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)，雖然也有許多單位研制了矢量控制異步主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但離實(shí)用化、商品化的目標(biāo)還很遠(yuǎn)[2,3]。
主軸驅(qū)動(dòng)交流伺服化是當(dāng)今的發(fā)展趨勢(shì)，在普通機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)中，用交流驅(qū)動(dòng)代替直流驅(qū)動(dòng)，能夠達(dá)到節(jié)省電能的目的；在加工中心的主軸驅(qū)動(dòng)中，用交流驅(qū)動(dòng)代替直流驅(qū)動(dòng)，可以滿(mǎn)足大容量、快速響應(yīng)、高生產(chǎn)率等要求。以矢量控制異步主軸電機(jī)為代表的交流主軸驅(qū)動(dòng)，具有超過(guò)和壓倒直流主軸驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，調(diào)速比一般為幾十到幾百。據(jù)《power transmission r)esign》(v01．33，no．2，1991) 報(bào)道，一個(gè)系列異步智能主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍為0．001～1500r／min，恒功率調(diào)速范圍為1500～7500r／min，調(diào)速比高達(dá)1：7．5×106，功率為15000～52500w。
盡管異步調(diào)速主軸驅(qū)動(dòng)如此成功，問(wèn)題還是不少，異步調(diào)速主軸電機(jī)存在兩個(gè)問(wèn)題[4]：①轉(zhuǎn)子發(fā)熱，效率較低，轉(zhuǎn)矩密度比較小，體積較大。②功率因數(shù)較低(尤其是在恒功率運(yùn)行范圍內(nèi))，因此要獲得較寬的恒功率調(diào)速范圍，要求有較大的逆變器容量。此外，異步電機(jī)低速下轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)嚴(yán)重，低速下溫升高，限制了其低限速度的降低，除非使用特殊的冷卻措施，否則在低限速度附近不能作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。大多數(shù)異步調(diào)速主軸電機(jī)，速度低限為60r／min左右，這對(duì)于要求進(jìn)行形狀制御以加工復(fù)雜形狀曲面的機(jī)床，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。低速下的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)及不能滿(mǎn)出力運(yùn)行，對(duì)于使用越來(lái)越廣泛的強(qiáng)力切削加工方法，也是極為不利的，因此有必要開(kāi)發(fā)更新一代的主軸電機(jī)系統(tǒng)。
2主軸驅(qū)動(dòng)的永磁同步化
許多電機(jī)研究者在研究開(kāi)發(fā)新一代的軸電機(jī)，以解決異步主軸驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題。意大利
的a．fratta等人提出用ala(軸向硅鋼片交直軸磁阻異性)轉(zhuǎn)子同步磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)床主軸，可以提高轉(zhuǎn)矩密度20％以上，但還是要求很大的逆變器額外容量以獲得較寬的恒功率運(yùn)行范圍[5]。
近10年來(lái)，由于ndfeb高能低價(jià)永磁體的開(kāi)發(fā)及性能不斷提高，使得永磁同步調(diào)速電機(jī)的優(yōu)越性越來(lái)越突出，給解決異步主軸驅(qū)動(dòng)提供了希望。
采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)床主軸的優(yōu)點(diǎn)為：和pwm直流主軸電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)沒(méi)有換向器，易維護(hù)，易在高速運(yùn)行。和矢量控制異步主軸電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子溫升低，軸向聯(lián)結(jié)位置精度高，要求的冷條件不高，對(duì)機(jī)床環(huán)境溫度的影響小，容易達(dá)到極小的低限速度(如o．01r／min)，而且轉(zhuǎn)矩紋波較小，尤其適合于形狀制御。即使在低限速度下，也可以作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，特別適合于強(qiáng)力切削加工。轉(zhuǎn)矩密度高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性更好，特別適合于高生產(chǎn)率運(yùn)行。較容易達(dá)到很高的竭逮比(如1：10000)，容許同一機(jī)床主軸具有多種加工功能，既可以加工像鋁一樣的低硬度材料，又可以加工很硬很脆的合金，同時(shí)也為機(jī)床盡可能進(jìn)行****切削提供了條件。
可見(jiàn)，永磁同步電機(jī)確是較理想的主軸電機(jī)機(jī)種。
3主軸永磁同步電機(jī)的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀
目前，利用永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)取代pwm直流伺服系統(tǒng)，供給機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的研究和應(yīng)用已較常見(jiàn)。但將永磁同步電機(jī)用于機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)(尤其是功率較大，調(diào)速范圍很寬)還較少見(jiàn)。在近百份數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)資料中(1987～1991年間有關(guān)機(jī)床傳動(dòng)的10種美、日刊物)僅有如下幾則是介紹永磁同步主軸驅(qū)動(dòng)的。
·《自動(dòng)化技術(shù)》1988年第12期介紹了額定功率50～400w、****輸出l 50w～1．2kw、額定轉(zhuǎn)速10000r／min的直流無(wú)刷主軸電機(jī)系列用于數(shù)控機(jī)床。
·美刊《power transmission i)esign1987年第5期的一則廣告稱(chēng)rexroth公司彭indramat分部開(kāi)發(fā)的mac永磁主軸電機(jī)．****出 |
