主轴驱动系统和主轴电机发展趋势

对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。
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
【中 图 分 类 号】 ＴＧ６５９ 【文 献 标 识 码】 Ａ
【文 章 编 号】 １００３百度文库 ２６７３（２００８）０３－ ３７－ ０２
数控机床主轴驱动系统作为机床的最核心的关键部件之 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。
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。
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
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 最 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。
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
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， 而最近 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：
２００８ 年 ３ 月 第 ３ 期（ 总第 １１１ 期）
广西轻工业
ＧＵＡＮＧＸＩ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＩＧＨＴ ＩＮＤＵＳＴＲＹ
主轴驱动系统和主轴电机发展趋势
机械与电气
杨玥
（ 天津工业大学机械工程及自动化系， 天津 ３００１ ６０）
【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
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。
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。如采用最新的绕组切 换技术， 其恒功率运动范围可达到 １： １４， 甚至更宽。目前， 感应 主轴电机最高转速可达 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。
开 关 磁 阻 电 机 （ＳＲ Ｍ）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 得最优平均转矩， 气隙需要精确控制并使极弧与气隙之比在 ２５—３０ 之问。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
【作 者 简 介】杨玥， 女 ， 天津人， 天津工业大学机械工程及自动化系 ２００４ 级本科生。研究方向： 机械工程及自动化。
３７
转矩机械特性。同时为获得最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 、最 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。
（ １ ） 传 递 扭 矩 大 用 两 种 功 率 为 Ｎ＝７．４６ｋＷ， 转 速 ｎ＝６００Ｏｒ／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。
电主轴是最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。
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 ｌ０ｋＷ 以下， 速 度 低 于 ８０００ｒ／ ｍｉｎ。 但 目 前 转 速 在 ２００００—３００００ｒ／ ｍｉｎ 之间， 功率超过 ｌ０ｋＷ 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 机中具有最高 的 效 率 和 最 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 绝 对 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 ＢＤＣＭ 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最大转矩弱磁为准则。ＢＤＣＭ 主 轴 电 机 通 常 采 用 最 优 电 流 和 最 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