主轴驱动系统和主轴电机发展趋势

杨玥
（天津工业大学机械工程及自动化系，天津　300160）

　　【摘　要】文章主要介绍了主轴驱动系统和主轴电机发展的趋势，并介绍了几种交流主轴驱动系统和电主轴系统，指出交流主轴驱动系统正在逐步取代直流系统，电主轴逐渐取代传统机床主轴。
　　【关键词】主轴驱动系统；主轴电机；电主轴
　　数控机床主轴驱动系统作为机床的Z核心的关键部件之一，其输出性能对数控机床的整体水平是至关重要的。主轴驱动远不同于一般工业驱动，它不但要求较高的速度精度、动态刚度，而且要求连续输出的高转矩能力和非常宽的恒功率运行范围。目前，各主要机床生产厂家和研究单位纷纷把目光投向交流主轴驱动系统。随着功率电子、计算机技术、控制理论、新材料和电机设计的进一步发展和完善，矢量控制交流电机主轴驱动系统的性能已达到甚至超过了直流主轴驱动系统。交流主轴驱动系统正在逐步取代直流系统。
　　1　交流主轴驱动系统发展趋势
　　交流主轴驱动系统的逆变器一般基于矢量控制原理，采用正弦波宽调制方式（SPWM），功率器件采用ICBT。根据电机类型可分为感应电机主轴驱动系统、永磁无刷同步电机主轴驱动系统、开头磁阻电机主轴驱动系统。
　　1.1　感应电机交流主轴驱动系统
　　感应电机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动系统的主流，其功率范围从零点几个kW到几百kW，广泛地应用于各种数控机床上。感应主轴电机基速以上的放展运动范围可以通过弱磁控制实现。其恒功率运动范围可达到1：5。如采用Z新的绕组切换技术，其恒功率运动范围可达到1：14，甚至更宽。目前，感应主轴电机Z高转速可达100000r/min以上。尽管感应主轴电机结构相对简单、但其变频控制器价格却较高。而采用了磁场定向控制技术的变频器能提供连续的转矩/速度调节能力、较高的精度、运行可行性和较低的运行费用，因而在一定程度上抵消了整个系统的初始高价格。感应式主轴电机的控制无一例外地采用磁场定向技术。该技术又分为间接磁场定向和直接磁场定向两种实现方式，其中间接转子磁场定向控制技术由于较易实现而被广为应用。它能提供较高的控制品质，但这种技术过分依赖于电机的参数，当参数变化时，控制性能将严重下降，遗憾的是，在电机运行过程中，转子时间常数可以在400％的范围内变化，因此现代主轴控制器均采用辨识、估算和自整定技术对参数变化在线补偿。这项技术另一个难题是随着电机速度要求越来越高，在恒功率弱磁运行时，当转子磁场发生变化，而滑差增益无法动态补偿时，将引起磁通和转矩的振荡。近年来，随着自适应观测器和Deatt-beat观测器的应用以及微处理器性能的提高，直接磁场定向控制技术在主轴驱动中有取代间接磁场定向之势。
　　1.2　永磁交流主轴驱动系统
　　永磁交流主轴电机分为正弦波驱动（PMSM）主轴电机和方波驱动无刷直流（BDCM）主轴电机。此类主轴电机以转子无铜耗、高效率和高功率/转矩密度著称。其低速运行时可获得更大的功率和转矩，因此在同步攻丝时的伺服锁定运行和快速定向方面有较大的优势。一般永磁主轴电机功率在10kW以下，速度低于8000r/min。但目前转速在20000—30000r/min之间，功率超过10kW的主轴电机已在制造。永磁主轴电机在转子上不存在发热元件，显著提高了电机效率，同时高性能钕铁硼材料的应用，使得永磁主轴电机在所有形式的交流主轴电机中具有Z高的效率和Z小的体积。PMSM和BDCM电机均可运行于高速范围。但弱磁范围受到一定限制，使速度不能很高。在控制策略方面，PMSM电机的定子绕组经特殊绕制后将产生正弦反电势，当绕组通入正弦电流后，便可获得恒定的转矩。但是磁场定向必须借助于转子位置编码器来实现。近年提出的无传感器控制为PMSM主轴电机高速运行提供了另一种选择。BDCM电机定子绕组则使电机产生梯形波反电势，但同样也需要转于位置传感器来实现定子电流换向。无传感器运行对BSCM也可实现。永磁交流主轴电机的控制难点主要在于如何拓展弱磁运行范围。PMSM主轴电机通常采用内装式结构，而在控制上通常以满足Z大转矩弱磁为准则。BACM主轴电机通常采用Z优电流和Z优PWM控制方式以抑制脉动转矩，提高电机效率。
　　1.3　开关磁阻型主轴驱动系统
　　开关磁阻电机（SRM）以其简单、坚固的机械构造、高速运行能力和体积小、重量轻、效率高等特性，近年来在工业界引起了广泛的兴趣，尤其是其优秀的高速度运行能力和价格优势，使其在10Kw以下，调速范围至100000r/min的数控机床主轴驱动应用中，大有与感应式主轴电机一争高低之势。开关磁阻电机定子极上绕有集中绕组，转子则既无绕组也无永磁体。SRM电机定转子的极数不同，广泛采用三相6/4结构。为获得Z优平均转矩，气隙需要精确控制并使极弧与气隙之比在25—30之间。SRM主轴电机的结构通常与控制策略和功率变换器同时考虑，其三者的牵制作用要比感应电机和永磁电机强。通过适当的角度位置控制，SRM可容易地获得1：3的恒功率运行范围。在控制策略方面，当电机低于基速以下运行时，常采用电流斩波控制方式，以避免过大的电流和磁链值，取得恒转矩机械特性。同时为获得Z佳效率和减少转矩谐波，SRM主轴驱动系统通常采用自适应控制、Z优控制和预测控制技术来控制开头模式。而在基速以上的弱磁运行范围，SRM常采用角度位置控制方式，通过导通角口的调节，调节电机的转矩实现调速目的。SRM的主要不足在于低速时的高谐波转矩和高噪声。而SRM主轴电机主要运行于高速恒功率区域，因此影响并不明显。
　　2　现代机床主轴发展趋势
　　现代机床主轴发展趋势是逐渐由传统机床主轴向电主轴过渡。
　　传统机床主轴是通过传动装置带动主轴旋转而工作的，电主轴的主要特点是将电机置于主轴内部，通过驱动电源直接驱动主轴进行工作，实现了电机、主轴的一体化功能。
　　与传统机床主轴相比，电主轴具有十分明显的优势。由于主轴由内装式电机直接驱动，省去了皮带、齿轮、联轴节等中间变速和传动装置，具有结构简单紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高等特点。而且利用交流变频技术，电主轴可以在额定转速范围内实现无级变速，以适应机床工作时各种工况和负载变化的需要。
　　电主轴是将机床主轴与主轴电机融为一体的高新技术产品。电主轴实际是指电主轴系统，由电主轴、驱动控制器、编码器、润滑装置、冷却装置等组成。电主轴系统是数控机床三大高新技术之一（高速电主轴、数控系统、送给驱动）。随着数控技术及切削刀具的飞跃发展，越来越多的机械制造装备都在不断向高速、高精、高效、高智能化发展，电主轴已成为Z能适应上述高性能工况的数控机床核心功能部件之一，尤其是在多轴联动、多面体加工、并联机床、复合加工机床等诸多先进产品中，电主轴的优异特点是机械主轴单元不能替代的。
　　电主轴是Z近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代。
　　电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。
　　电主轴所融合的技术：
　　（1）高速轴承技术：电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承，或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限长。
　　（2）高速电机技术：电主轴是电机与主轴融合在一起的产物，电机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电机，其关键技术是高速度下的动平衡。
　　（3）润滑：电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。
　　所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油，所谓定量，就是通过一个叫做定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的注油量。而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。
　　（4）冷却装置：为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。
　　（5）内置脉冲编码器：为了实现自动换刀以及刚性攻丝，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相位控制以及与进给的配合。
　　（6）自动换刀装置：为了适用于加工中心，电主轴配备了能进行自动换刀的装置，包括碟形簧、拉刀油缸。
　　高速刀具的装卡方式：广为熟悉的BT、ISO刀具，已被实践证明不适合于高速加工。这种情况下出现了HSK、SKI等高速刀柄。
　　（7）高频变频装置：要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电机，变频器的输出频率甚至需要达到几千Hz。
　　主轴电机另一个发展趋势主要是向高效、大功率主轴电动机发展。为提高机床主轴电动机的切削速度、快速响应能力和控制精度，大多数CNC机床都选择集成式主轴AC感应主轴电动机代替以往的由皮带或齿轮减速的分离式主轴电动机，而Z近随着技术的进步，新开发出一种含稀有材料的永久磁铁集成式主轴电动机，由于它能更高效、大功率地传递扭矩，所以大有取代感应式集成主轴电动机的趋势据。据介绍，这种含铌的永久磁铁集成式主轴电动机与通用的感应式集成主轴电动机相比，具有以三个优点：
　　（1）传递扭矩大用两种功率为N＝7.46kW，转速n＝6000r/min的电动机所作的比较性试验表明，通用的感应式集成主轴电动机传递的转矩为95N•m。而含稀有材料的永久磁铁型集成式主轴电动机则能传递160N•m的转矩。
　　（2）易于对使用中产生的温升进行在线控制，且使用简单的气冷方式即可对主轴电动机进行冷却。无须安装昂贵的冷却器。
　　（3）由于电动机选用特殊的永久磁铁材料制成，所以磁性强，电动机体积小，结构紧凑，这样可使主轴孔直径增大，大大提高机床的加工能力。
　　现在的机械加工工艺要求的主轴转速越来越高，高转速也越来越成为衡量一个产品水平的标志，成为商家竞争的焦点，谁先采用了更高转速的主轴，谁便在激烈的竞争中拥有了一张硬牌。趋势就是：以专业厂家生产的高质量的电主轴取代各机床厂家自己生产的传统主轴，电主轴将会像直线导轨一样成为机床标准部件。
　　参考文献
　　[1]周建来，陈书法，朱建忠.数控机床主轴驱动系统的选用研究[M].
　　[2]薛儒.CNC机床技术的Z发展.制造技术与机床[M].