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永磁同步电机——引领电主轴新一代技术变革

2016-05-19

电主轴是数控机床的核心功能部件,其性能的优劣直接影响着数控机床的加工精度,决定其生产效率和良品率。而作为电主轴驱动系统的关键和核心,主轴内置电机担当着驱动系统动力执行部件这一重要角色,其性能直接影响到数控机床的动态刚性、加工精度、加工速度、振动和噪声等关键技术指标,故电机对于机床的性能、结构布局和制造成本均具有很大的影响。

因感应电机结构简单,设计方法成熟、控制方便、易于弱磁调速,故在目前的数控机床电主轴的应用中仍然占据主流地位。


感应电机感应电机虽应用广泛,但却存在以下问题:
1、功率因数和效率较低,需要较大容量的驱动器;
2、转矩密度低,需要较大安装空间;
3、低速力能特性差;
4、感应电机转子存在非常严重的发热问题,因转子参数随温度而变化,进而影响电机的控制精度,降低加工精度;同时,当热量传到主轴上会大大影响工件的加工质量。故感应电机对冷却结构的设计有着较高的要求。

因此,研发具有宽调速范围和低速大转矩,满足高档数控机床性能要求的永磁同步电机无疑是突破窠臼,引领电主轴技术变革的不二选择。

作为专业从事高精密电主轴及其零配件的研发设计、生产制造、销售与维修服务的环保型高新技术企业,昊志机电(股票代码300503)秉承“技术支撑产品,管理提升品质”的企业理念,通过持之以恒的自主创新和坚持不懈的技术攻关,已成功研制并批量生产出一系列弱磁调速型永磁同步电机并将其应用在高速电主轴中。其中DGZYX-15018/22A20-BFHWVJLS高速加工中心用弱磁调速型永磁同步电机电主轴更是具有优异的切削性能。 

何为永磁同步电机?

永磁同步电机,英文名称为Permanent Magnet Synchronous Motor,简称PMSM,指的是由永磁体直接产生磁场的交流电机。

 

永磁同步电机四大优势

一、电机体积较小、重量轻

    近年来随着高性能永磁材料的不断应用,永磁同步电机的功率密度得到很大的提高,相同体积下永磁同步电机输出扭矩约是感应电机的1.7倍。

二、调速范围宽

    基于特殊结构设计的永磁同步电机,可在恒转矩运行时采用最大转矩/电流控制策略,而恒功率运行时采用弱磁控制策略,可获得良好的调速运行特性,成功实现了超过5倍的弱磁调速范围;

三、转动惯量小,可获得较高的加速度,动态性能好

四、过载能力大

永磁同步电机转子无滑差,当进行刚性加工时,不会产生由于转速波动而带来的表面效果加工异常。

永磁同步电机在电主轴系统中的应用

尽管永磁同步电机相比感应电机存在以上诸多优点,但想要将永磁同步电机应用在高速电主轴中并完美发挥其性能特点,仍存在着诸多困难与障碍。

在主轴驱动应用中,对电机的恒定功率速度运行范围有较高要求。目前在这一领域的主流仍旧是感应电机,其在恒定功率运行范围内采用弱磁控制方法。显然这一方法并不适用于永磁同步电机。

永磁同步电机的转子磁场乃是由永磁体产生,其磁场是固定无法直接调节的,只能利用直轴电枢反应去磁效应,通过调节电机定子电流的相位来产生一个电流去磁分量,逐步削弱气隙磁场,从而达到调节磁场的目的。我们称之为弱磁。

第一个制约永磁同步电机在高速电主轴中的应用的主要障碍即是弱磁调速问题。

为了攻克这个难题,工程师们做了大量的研究工作,目前,昊志机电已经成功研究出了一种基于Halbach磁体结构的宽弱磁永磁同步电机技术,使得这类电机的弱磁调速倍数超过5倍。在高速电主轴的应用中,除了对电机的恒功率运行范围有较高要求外,还对电机的转矩脉动有着非常严格的要求。昊志机电DGZYX-15018/22A20-BFHWVJLS高速加工中心用弱磁调速型永磁同步电机电主轴在S6-40%工作制下,电机的转矩过载倍数达到1.5倍,在S6-25%工作制下,电机的转矩过载倍数可达到1.7倍。

昊志机电需要攻克的第二个难关是降低永磁同步电机的转矩脉动,使其转矩尽可能的保持绝对平滑。

针对这一问题,工程师们双 管齐下,一边通过合理设计电机参数使得电机更接近获得平滑转矩的理想特性,同时采用适当的控制算法,修正电机或控制器引起的一些非线性特性从而降低转矩脉动。

在此过程中,我们通过采用电磁场有限元设计方法,对电机的极槽数、极弧系数进行合理选择,通过优化气隙磁密波形、转子形状以及增设辅助槽等一系列手段将转矩脉动控制在一个极低的范围内。

除了上述两大问题,我们还对永磁同步电机的刚度、受力分析进行计算并做了详实深入的研究,以最大限度的发挥永磁同步电机的性能,使得永磁同步电机电主轴的各项参数和加工质量获得了极大的提升。 

这款型号为DGZYX-15018/22A20-BFHWVJLS的高转速、高功率、大扭矩永磁同步电机结构的高速加工中心电主轴,其最高转速达18,000rpm,主要用于汽车、模具等金属材料的钻铣加工,并可实现高速铣削、镗削和低速重加工。
该主轴开创性地将机械皮带(或直联主轴)与伺服电机有效的结合在一起,避免了高速加工中心主轴(机械皮带或直联主轴)的安装瓶颈,可以实现高转速、高精度、高效率、高光洁度的加工。
与同类型的感应电机电主轴相比,此款主轴具有以下独特优势:
1、更大的输出功率与扭矩,更高的功率因数,更平稳精确的控制性能:此款主轴比相同体积的感应电机主轴功率提升21%,扭矩提升34%。
2、高精度、高刚度:高精密制造技术,高精度的轴承,以及优化的内置电机设计,使主轴拥有更高的精度和刚度。
3、电机发热量更低:在相同的冷却条件下,此款主轴的温升降低,主轴热伸出量减少,加工精度更高。
4、完美匹配各大品牌驱动系统,如西门子、三菱、海德汉、发那科等。
 
弱磁调速型永磁同步电机的成功研发以及在高速电主轴中的批量应用,进一步丰富了昊志机电的产品类别,同时,打破了因感应电机固有特性而造成的电主轴性能难以获得进一步提升的困局,对于中国机床行业以及机床核心功能部件的发展都有着重要的里程碑意义。更标志着昊志机电在“振兴中国装备制造业,打破国外垄断而不断努力奋头”的目标上又向前迈进了坚实的一步。

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