永磁同步电机在高速电主轴系统中的应用

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，