机床用主轴电动机的开发现状

  唐苏亚(涟水县经济委员会)

    【摘  要】  介绍机床用主轴电动机的技术特点、内装式主轴电动机和液冷却式高转矩主轴电动机的开发现状和关键技术性能，指出主轴电动机将进一步向高速化、高精度化等方向发展。

    【叙  词】  机床／主轴电动机转矩控制驱动开发

1引  言

    近年来，随着机床用伺服系统以及主轴控制的交流化、数字化、智能化，各种新型机床不断问世，因而对机床用主轴电动机也提出了新的要求。以高速化、宽输出范围、高精度化为主要特征的新型机床用主轴电动机，目前在国外已进入实用阶段。本文在论及这类电机的技术特点的同时，着重介绍内装式主轴电动机和液冷却式高转矩主轴电动机的开发现状及其关键技术性能。

2主轴电动机的技术特点〔1～3〕

2．1高速化

    随着机床加工效率的提高以及被加工物体材质的多样化，要求主轴电动机的高速化正在加强，这在铝合金加工中显得更为突出。由于高速化具有很高的技术经济效益，近10年来，国外都非常重视这一技术的开发和应用．因而，对主轴电动机的高速化要求也变得非常重要。在国外，传统的主轴电动机的标准转速为6 000r／min，小容量主轴电动机的****转速已达8 000r／rain。如果采用油气润滑和高速磁性轴承，则电机的转速更高。如瑞士ibag公司开发的主轴部件共有三种规格，其功率和转速参数分别为40 000r／minn(40kw);60000r／min(20kw)；80000r／min(10kw)。日本泻铁工的uhsio，其主轴转速为100 000r／min，森精机的mv一65a／40，为25000r／min。这些主轴部件中的电动机均为不使用皮带齿轮传动的内装式交流伺服主轴电动机。目前，这些主轴电动机在mc(加工中心)上巳得到广泛应用。

2．2输出功率范围的扩大

    通常，在进行机械切削加工时，低速需要大的转矩，高速则需要小的转矩。因此，为了实现经济型驱动，必须扩大输出功率范围。对于一般机床，都备有变速机构。根据主轴电动机自身的输出功率范围，经与齿轮或皮带轮的组合，从而得到相应的输出特性。但是，变速机构有加振源，不仅带来加工精度下降，而且受到机械机构上的种种制约。国外通常采用在同一电动机中变换绕组的连线等新技术，这不但能省去机械式的变速装置，而且可实现输出功率范围的扩大。这一方法是将低速和高速时电动机指令贮存在控制装置内，根据外部指令变换参数和接触器，从而改变控制装置的容量，使输出功率范围扩大。图1示出了日本安川公司uaaskb一0811ca3型交流主轴电动机的绕组变换方式的输出特性，从图中可看出：低速绕组的基础转速为500r／min，500～2000r／min作为额定输出范围，高速绕组的基础转速为1500r／min，1500～6000r／rain为额定输出范围，速比达1:12。

   

2．3高精度化

  主轴控制中造成精度下降的主要原因有：一是主轴及其电动机发热，二是主轴电动机的速度变动和主轴齿轮产生振动。为了克服上述的缺点，保证主轴控制的高精度化，目前，国外通常采用液冷却式主轴电动机和内装式主轴电动机。前者采用冷却液进行冷却，后者把电动机和主轴设计成一体。

3内装式主轴电动机限[3,4]

    传统的主轴电动机从低速到高速中间要用皮带轮或齿轮进行变速，变速极限大约是20 000r／min，超过这一转速极限，电动机会产生振动、温升升高及噪声等。而内装式主轴电动机，其主轴本身作为电动机的转轴，定子则与主轴头结合成一体，因而使整个主轴系统结构紧凑、重量轻和惯量小，有利于提高主轴起动或停转时的响应特性。同时，由于取消了齿轮机构，因而变速运转时的噪声和振动大为降低。

    日本安川公司近年研制的40 000r／min高速内装式主轴电动机内分别嵌有高速绕组和低速绕组，这两种绕组具有各自的功率变化范围，因此，不仅可用于机床的高速切削，也可用于低速切削，如钻孔、攻丝等，图2示出了该电动机高速和低速运转时的输出功率特性。

    

    据文献(5)报导，高速内装式主轴电动机选用的轴承主要是高速球轴承和磁性轴承。高速球轴承极限圆周速度低(40～80m／s，通常应用在切削速度低于3 000m／min以下的机床上。而磁性轴承的极限圆周速度高(200m／s以上)，且由于它是利用电磁力，使主轴(转子)悬浮在磁场中，因此无需润滑或冷却。此外，它还具有无噪音、