永磁同步电机在高速电主轴系统中的应用.doc

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。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。三、 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性能指标。图3、40000rpm永磁同步电主轴基本结构图4、 最高转速40000rpm永磁同步电主轴功率及转矩特性曲线2、 轴承选择轴承是高速电主轴最基本的核心元件之一，也是影响电主轴实际性能的关键因素之一。轴承的选择依据是dmn值，常用的有陶瓷珠角接触球轴承，液体动静压轴承和气浮轴承（3熊万里的轴承现状分析）。最高转速在60000rpm以下，常应选用陶瓷珠角接触球轴承，比如大多数数控机床用电主轴；在刚度和精度要求较高的情况下，选择液体动静压轴承，比如高端磨削电主轴；在刚度要求不高，转速60000rpm以上，一般选择气浮轴承，比如PCB板钻孔用电主轴。角接触球轴承是电主轴的易损件，是电主轴寿命最短的核心部件，必须考虑正常的更换和维修，以便延长电主轴的工作寿命。作为永磁同步电主轴在结构设计和生产安装，以及维修更换过程中必须严格禁止轴承被永磁体磁化。延长轴承寿命的关键是做好润滑和散热。3、 动平衡校正动平衡校正是确保电主轴品质的关键，电主轴转子的动平衡质量会以二次方的关系影响主轴的动态性能（4沈玮浅谈电主轴技术及其应用）。高速电主轴必须做到G0.4以上的动平衡精度，常用的动平衡机直接对电主轴转子进行动平衡校正，由于驱动转子转动的速度有限（一般在4000rpm以下），很难达到较高的动平衡精度。必须在电主轴装配完成后，整机做二次，甚至三次在线动平衡校正。值得一提的是永磁电机由于转子带有强力稀土永磁磁钢，在动平衡机的选择上一定要注意到这一特点。避免动平衡机由于永磁体的磁场干扰而影响平衡效果。4、 润滑方式轴承润滑，尤其是对角接触球轴承的润滑，滚珠表面的油膜寿命就是轴承的寿命。没有形成良好的油膜，轴承一旦高速运行，立即会造成表面烧伤而报废。所以，润滑不仅仅是方式的选择，关键是如何按最佳的磨合工艺形成良好的油膜。比较常用的润滑方式是油脂润滑，适合最高转速在24000rpm以下的小尺寸电主轴；油气润滑适合20000rpm以上的电主轴。油气润滑效果好，但结构复杂，成本高。油脂润滑相对简单，但寿命较短。5、 冷却方式作为高速动力源，电主轴中的电机会因为铜损、鉄损、涡流等发热，轴承会因为高速旋转的摩擦等因素发热，数控机床加工过程中刀具的发热也会传递到电主轴内部。而且这些发热源，是客观实际存在的，无法消除，很难减弱。所以，冷却必不可少。实践证明，冷却的方式和效果直接影响到电主轴的品质和寿命。事实上，冷却的关键是温度分布的均匀性，如何有效地控制温差变化是冷却的关键（5周京芳高速电主轴在线温升及轴向热伸长测试系统的设计）。6、 控制策略永磁同步电主轴具体应用中，上述各项关键技术的实施是必要条件，缺一不可。但若想让永磁同步电主轴达到较佳的动态性能指标，控制策略则是不可或缺的充分条件。没有好的控制策略，或者说，没有具备完善控制策略的驱动器，永磁同步电主轴根本无法实现其优越的动态性能输出。永磁同步电主轴所采用的永磁电机结构与普通伺服电机基本相同，甚至有些场合连反馈用的编码器都是一样的，唯一的重大区别就是控制策略不同。一般伺服电机采用Id=0（直轴电流Id为零，可以是交轴电流Iq最大化），充分发挥稀土永磁电机的低速大转矩特性，使电机在额定转速以下保持良好的恒转矩特性。这样的控制策略，导致电机的调速范围很窄。这就是伺服电机无法满足主轴电机，以及电主轴的主要因素。永磁同步电主轴不但需要有较高的低速输出转矩，同时还要兼顾宽调速范围，要能在高速下长期带载运行。所以，必须采取弱磁扩速控制策略。所谓弱磁扩速，就是当电机反电动势达到驱动器所能接受的上限附近时，必须通过电枢使Id为负值，用来减弱永磁体产生的磁场，使反电动势电压维持在给定值以下。电枢的总电流In维持不变，In2=Id2+Iq2。随着Id的绝对值增加，Iq相应减小，电机的输出转矩逐渐下降。由于Id负向增加使反电动势不再增加，电机的转速就随之上升。使电机进入恒功率调速阶段。一般用额定转速与最高转速的比值来表示电主轴的调速范围。按此指标，普通的伺服电机调速范围不超过1:1.2。一般的电主轴为1:2，或1:4。较宽的调速范围可达1:6以上。由于异步电电主轴为感应电机，转子励磁靠电枢实现，所以调速范围优于永磁同步电主轴。除了弱磁控制策略以外，永磁同步电主轴驱动器还必须克服另外两个关键技术，其一是高频输出，其二是编码器解算。高频输出是指驱动器输出给电机的工作频率较高，由于受到机械结构和磁路分布的限制，一般永磁同步电主轴都采用4极电机磁路，如果要达到40000rpm转速，电机最高工作频率fn=1333.33Hz，要控制如此高的工作频率，驱动器必须具备很高的计算速度，如果控制算法不合理，很难实现良好的控制精度。编码器解算是指电主轴，特别是加工中心用永磁同步电主轴，很多场合下都需要具备C轴功能，也就是说，要参与插补运算，那么主轴的控制精度要与伺服驱动坐标匹配，就需要反馈编码器具备很高的分辨率。但是，在主轴高速运转时，如果编码器的分辨率过高，很容易超出基本的控制带宽，使驱动器无法辨认。这一矛盾就必须由编码器和驱动器配合克服。四、 具体应用介绍1、 加工中心类加工中心类机床用电主轴最为显著的特点是主轴内部必须安置松拉刀机构，这就使轴的内部结构比较复杂，不但加工制造难度大，而且会直接影响到轴的机械刚度。但是由于加工中心类机床功能强大，加工范围光，适应性强，特别适合采用电主轴结构。欧美日等发达国家，电主轴的应用首先，而且大量在加工中心类机床上推广应用。国内异步电主轴成功应用的案例也很多，永磁同步电主轴在加工中心中的应用也得到逐步发展。图示为一台三坐标加工中心用的永磁同步电主轴内部结构，外形照片和配套的机床照片。2、 雕铣机类雕铣机是国内应用电主轴最早，也最多的一类机床。目前国内异步电主轴大约年产十几万台，用在各种雕铣机床上。随着iPhone手机等日用电子消费品采用直接加工制作工艺，雕铣机逐渐从模具加工向零件加工拓展。能够低速重载，高速运行的永磁同步电主轴在雕铣机中的应用会越来月光。图示为背景精雕生产配置永磁同步电主轴的雕铣机。3、 钻攻中心机钻攻中心机是一种小型加工中心，特别适合于小型复杂零件的大批量生产，其最突出的优势是刚性攻丝功能。据介绍FANUC的钻攻中心机床可以实现在每分钟上万转速度下直接刚性攻丝，这就大大提高了流水线加工的生产效率。能有如此高的攻丝速度，主要得益于电主轴，以及驱动器与CNC系统的密切配合。日前，国产永磁同步电主轴已经在珠海某机床厂，实现8000rpm速度下的刚性攻丝能力。4、 磨削电主轴的出现，主要是因为轴承加工行业，内圆磨削的需要。因为内圆磨削。砂轮直径小，要达到一定的磨削线速度，主轴转速必须足够高。异步电主轴在磨削领域，已经成功应用了很长时间，但由于其带载特性较差，很难实现大吃刀强力磨削。为了提高磨削效率，机床厂家不断提升异步电主轴的功率。就是这样，也无法避免带载就掉速的问题，永磁同步电主轴由于电机特性硬，闭环响应速度快，主轴吃刀带载几乎不调速，对磨削效率和质量都有非常明显的促进。图示为轴承专用磨床，以及其配置的永磁同步电主轴照片。5、 车削车削电主轴需要较大的空心轴结构，一般转在30008000rpm之间，转矩相对较大。特别适合永磁同步电主轴，但由于大中空编码器太贵，导致车削电主轴在国内发展相对较慢。根据这两年机床博览会的情况来看，车削电主轴在未来两年可能会有突破性的进展。由于车床占整个机床的份额很大，一旦车床大量使用永磁同步电主轴，必然会给电主轴事业的发展带来革命性的突破。图示为车削电主轴的结构图纸和主轴实物照片。6、 摆轴7、 木工及其他加工木板、石材、玻璃、胶木等非金属板材加工行业，其加工精度相对金属加工来说普遍偏低，以前数控加工的基础很薄弱。随着，人工成本的高速增长，近年来木工机械行业发展迅速，大量采用数控机床。与之配套的电主轴也得以快速发展。西安英威腾合升动力科技有限公司生产的永磁同步木工电主轴，在楼梯专用木工机床