主轴驱动的新动向

尹华杰  林金铭  金振荣(华中理工大学)

【摘  要】概述国内外机床主轴驱动的现状，在主轴驱动交流伺服化的发展背景下，基于永

磁材料的发展状况，提出了主轴电机的永磁同步化，并探讨了主轴永磁同步电机驱动的可能性、有待解决的问题及解决的途径。

    【叙  词】／主轴驱动永磁电机同步电动机机床动向

1机床主轴驱动的现状

    目前，占机床总量2／3以上的普通机床和自动机床使用普通异步主轴电机或直流主轴电机间接驱动主轴。在数控机床方面，国外除少部分机床使用齿轮变速与电机调速相配合的主轴驱动及一部分使用pwm直流调速电机直接驱动主轴外，绝大部分则使用矢量控制的异步主轴电机直接驱动主轴，用异步电机与主轴装为一体的装入式主轴驱动的也为数不少。日本制造业正以实现机床主轴驱动系统100百分之5交流化、数字化、智能化为目标[1]。在国内，除引进的之外，国产数控机床多采用普通异步主轴电机驱动，虽然也有许多单位研制了矢量控制异步主轴驱动系统，但离实用化、商品化的目标还很远[2,3]。

    主轴驱动交流伺服化是当今的发展趋势，在普通机床主轴驱动中，用交流驱动代替直流驱动，能够达到节省电能的目的；在加工中心的主轴驱动中，用交流驱动代替直流驱动，可以满足大容量、快速响应、高生产率等要求。以矢量控制异步主轴电机为代表的交流主轴驱动，具有超过和压倒直流主轴驱动的优势，调速比一般为几十到几百。据《power transmission r)esign》(v01．33，no．2，1991) 报道，一个系列异步智能主轴驱动系统，恒转矩调速范围为0．001～1500r／min，恒功率调速范围为1500～7500r／min，调速比高达1：7．5×106，功率为15000～52500w。

    尽管异步调速主轴驱动如此成功，问题还是不少，异步调速主轴电机存在两个问题[4]：①转子发热，效率较低，转矩密度比较小，体积较大。②功率因数较低(尤其是在恒功率运行范围内)，因此要获得较宽的恒功率调速范围，要求有较大的逆变器容量。此外，异步电机低速下转矩脉动严重，低速下温升高，限制了其低限速度的降低，除非使用特殊的冷却措施，否则在低限速度附近不能作恒转矩运行。大多数异步调速主轴电机，速度低限为60r／min左右，这对于要求进行形状制御以加工复杂形状曲面的机床，是远远不够的。低速下的转矩波动及不能满出力运行，对于使用越来越广泛的强力切削加工方法，也是极为不利的，因此有必要开发更新一代的主轴电机系统。

2主轴驱动的永磁同步化

    许多电机研究者在研究开发新一代的轴电机，以解决异步主轴驱动的问题。意大利

的a．fratta等人提出用ala(轴向硅钢片交直轴磁阻异性)转子同步磁阻电机驱动机床主轴，可以提高转矩密度20％以上，但还是要求很大的逆变器额外容量以获得较宽的恒功率运行范围[5]。

    近10年来，由于ndfeb高能低价永磁体的开发及性能不断提高，使得永磁同步调速电机的优越性越来越突出，给解决异步主轴驱动提供了希望。

    采用永磁同步电机驱动机床主轴的优点为：和pwm直流主轴电机相比，永磁同步电机没有换向器，易维护，易在高速运行。和矢量控制异步主轴电机相比，永磁同步电机转子温升低，轴向联结位置精度高，要求的冷条件不高，对机床环境温度的影响小，容易达到极小的低限速度(如o．01r／min)，而且转矩纹波较小，尤其适合于形状制御。即使在低限速度下，也可以作恒转矩运行，特别适合于强力切削加工。转矩密度高，转动惯量小，动态响应特性更好，特别适合于高生产率运行。较容易达到很高的竭逮比(如1：10000)，容许同一机床主轴具有多种加工功能，既可以加工像铝一样的低硬度材料，又可以加工很硬很脆的合金，同时也为机床尽可能进行****切削提供了条件。

    可见，永磁同步电机确是较理想的主轴电机机种。

3主轴永磁同步电机的开发现状

    目前，利用永磁同步电机伺服系统取代pwm直流伺服系统，供给机床的进给运动的研究和应用已较常见。但将永磁同步电机用于机床主轴驱动(尤其是功率较大，调速范围很宽)还较少见。在近百份数控机床主轴驱动资料中(1987～1991年间有关机床传动的10种美、日刊物)仅有如下几则是介绍永磁同步主轴驱动的。

    ·《自动化技术》1988年第12期介绍了额定功率50～400w、****输出l 50w～1．2kw、额定转速10000r／min的直流无刷主轴电机系列用于数控机床。

    ·美刊《power transmission i)esign1987年第5期的一则广告称rexroth公司彭indramat分部开发的mac永磁主轴电机．****出