永磁同步電機(jī)——電主軸新一代技術(shù)變革

電主軸是數(shù)控機(jī)床的核心功能部件，其性能的優(yōu)劣直接影響著數(shù)控機(jī)床的加工精度，決定其生產(chǎn)效率和良品率。而作為電主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵和核心，主軸內(nèi)置電機(jī)擔(dān)當(dāng)著驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力執(zhí)行部件這一重要角色

電主軸是數(shù)控機(jī)床的核心功能部件，其性能的優(yōu)劣直接影響著數(shù)控機(jī)床的加工精度，決定其生產(chǎn)效率和良品率。而作為電主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵和核心，主軸內(nèi)置電機(jī)擔(dān)當(dāng)著驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力執(zhí)行部件這一重要角色，其性能直接影響到數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)剛性、加工精度、加工速度、振動(dòng)和噪聲等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，故電機(jī)對(duì)于機(jī)床的性能、結(jié)構(gòu)布局和制造成本均具有很大的影響。
因感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方法成熟、控制方便、易于弱磁調(diào)速，故在目前的數(shù)控機(jī)床電主軸的應(yīng)用中仍然占據(jù)主流地位。


感應(yīng)電機(jī)感應(yīng)電機(jī)雖應(yīng)用廣泛，但卻存在以下問(wèn)題：
1、功率因數(shù)和效率較低，需要較大容量的驅(qū)動(dòng)器；
2、轉(zhuǎn)矩密度低，需要較大安裝空間；
3、低速力能特性差；
4、感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在非常嚴(yán)重的發(fā)熱問(wèn)題，因轉(zhuǎn)子參數(shù)隨溫度而變化，進(jìn)而影響電機(jī)的控制精度，降低加工精度；同時(shí)，當(dāng)熱量傳到主軸上會(huì)大大影響工件的加工質(zhì)量。故感應(yīng)電機(jī)對(duì)冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有著較高的要求。
因此，研發(fā)具有寬調(diào)速范圍和低速大轉(zhuǎn)矩，滿足高檔數(shù)控機(jī)床性能要求的永磁同步電機(jī)無(wú)疑是突破窠臼，電主軸技術(shù)變革的。

何為永磁同步電機(jī)？
永磁同步電機(jī)，英文名稱為Permanent Magnet Synchronous Motor，簡(jiǎn)稱PMSM，指的是由永磁體直接產(chǎn)生磁場(chǎng)的交流電機(jī)。

 
永磁同步電機(jī)四大優(yōu)勢(shì)
一、電機(jī)體積較小、重量輕
    近年來(lái)隨著高性能永磁材料的不斷應(yīng)用，永磁同步電機(jī)的功率密度得到很大的提高，相同體積下永磁同步電機(jī)輸出扭矩約是感應(yīng)電機(jī)的1.7倍。
二、調(diào)速范圍寬
    基于特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)，可在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)采用*大轉(zhuǎn)矩/電流控制策略，而恒功率運(yùn)行時(shí)采用弱磁控制策略，可獲得良好的調(diào)速運(yùn)行特性，成功實(shí)現(xiàn)了超過(guò)5倍的弱磁調(diào)速范圍；
三、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，可獲得較高的加速度，動(dòng)態(tài)性能好
四、過(guò)載能力大
永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)滑差，當(dāng)進(jìn)行剛性加工時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生由于轉(zhuǎn)速波動(dòng)而帶來(lái)的表面效果加工異常。
永磁同步電機(jī)在電主軸系統(tǒng)中的應(yīng)用
盡管永磁同步電機(jī)相比感應(yīng)電機(jī)存在以上諸多優(yōu)點(diǎn)，但想要將永磁同步電機(jī)應(yīng)用在高速電主軸中發(fā)揮其性能特點(diǎn)，仍存在著諸多困難與障礙。
在主軸驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，對(duì)電機(jī)的恒定功率速度運(yùn)行范圍有較高要求。目前在這一領(lǐng)域的主流仍舊是感應(yīng)電機(jī)，其在恒定功率運(yùn)行范圍內(nèi)采用弱磁控制方法。顯然這一方法并不適用于永磁同步電機(jī)。
永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)乃是由永磁體產(chǎn)生，其磁場(chǎng)是固定無(wú)法直接調(diào)節(jié)的，只能利用直軸電樞反應(yīng)去磁效應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)定子電流的相位來(lái)產(chǎn)生一個(gè)電流去磁分量，逐步削弱氣隙磁場(chǎng)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)磁場(chǎng)的目的。我們稱之為弱磁。
**個(gè)制約永磁同步電機(jī)在高速電主軸中的應(yīng)用的主要障礙即是弱磁調(diào)速問(wèn)題。
需要攻克的第二個(gè)難關(guān)是降低永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使其轉(zhuǎn)矩盡可能的保持**平滑。
針對(duì)這一問(wèn)題，工程師們雙 管齊下，一邊通過(guò)合理設(shè)計(jì)電機(jī)參數(shù)使得電機(jī)更接近獲得平滑轉(zhuǎn)矩的理想特性，同時(shí)采用適當(dāng)?shù)目刂扑惴ǎ拚姍C(jī)或控制器引起的一些非線性特性從而降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
在此過(guò)程中，我們通過(guò)采用電磁場(chǎng)有限元設(shè)計(jì)方法，對(duì)電機(jī)的極槽數(shù)、極弧系數(shù)進(jìn)行合理選擇，通過(guò)優(yōu)化氣隙磁密波形、轉(zhuǎn)子形狀以及增設(shè)輔助槽等一系列手段將轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制在一個(gè)極低的范圍內(nèi)。
除了上述兩大問(wèn)題，我們還對(duì)永磁同步電機(jī)的剛度、受力分析進(jìn)行計(jì)算并做了詳實(shí)深入的研究，以*大限度的發(fā)揮永磁同步電機(jī)的性能，使得永磁同步電機(jī)電主軸的各項(xiàng)參數(shù)和加工質(zhì)量獲得了極大的提升。