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。
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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，引領(lǐng)電主軸技術(shù)變革的不二選擇。
作為專業(yè)從事高精密電主軸及其零配件的研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、銷售與維修服務(wù)的環(huán)保型高新技術(shù)企業(yè)，昊志機(jī)電（股票代碼300503）秉承“技術(shù)支撐產(chǎn)品，管理提升品質(zhì)”的企業(yè)理念，通過(guò)持之以恒的自主創(chuàng)新和堅(jiān)持不懈的技術(shù)攻關(guān)，已成功研制并批量生產(chǎn)出一系列弱磁調(diào)速型永磁同步電機(jī)并將其應(yīng)用在高速電主軸中。其中DGZYX-15018/22A20-BFHWVJLS高速加工中心用弱磁調(diào)速型永磁同步電機(jī)電主軸更是具有優(yōu)異的切削性能。
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)。
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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)采用最大轉(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)用在高速電主軸中并完美發(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。
第一個(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。
為了攻克這個(gè)難題，工程師們做了大量的研究工作，目前，昊志機(jī)電已經(jīng)成功研究出了一種基于Halbach磁體結(jié)構(gòu)的寬弱磁永磁同步電機(jī)技術(shù)，使得這類電機(jī)的弱磁調(diào)速倍數(shù)超過(guò)5倍。在高速電主軸的應(yīng)用中，除了對(duì)電機(jī)的恒功率運(yùn)行范圍有較高要求外，還對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有著非常嚴(yán)格的要求。昊志機(jī)電DGZYX-15018/22A20-BFHWVJLS高速加工中心用弱磁調(diào)速型永磁同步電機(jī)電主軸在S6-40%工作制下，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩過(guò)載倍數(shù)達(dá)到1.5倍，在S6-25%工作制下，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩過(guò)載倍數(shù)可達(dá)到1.7倍。
昊志機(jī)電需要攻克的第二個(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)矩盡可能的保持絕對(duì)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?，修正電機(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，以最大限度的發(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。
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這款型號(hào)為DGZYX-15018/22A20-BFHWVJLS的高轉(zhuǎn)速、高功率、大扭矩永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)的高速加工中心電主軸，其最高轉(zhuǎn)速達(dá)18,000rpm，主要用于汽車、模具等金屬材料的鉆銑加工，并可實(shí)現(xiàn)高速銑削、鏜削和低速重加工。
該主軸開(kāi)創(chuàng)性地將機(jī)械皮帶（或直聯(lián)主軸）與伺服電機(jī)有效的結(jié)合在一起，避免了高速加工中心主軸（機(jī)械皮帶或直聯(lián)主軸）的安裝瓶頸，可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速、高精度、高效率、高光潔度的加工。
與同類型的感應(yīng)電機(jī)電主軸相比，此款主軸具有以下獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：
1、更大的輸出功率與扭矩，更高的功率因數(shù)，更平穩(wěn)精確的控制性能：此款主軸比相同體積的感應(yīng)電機(jī)主軸功率提升21%，扭矩提升34%。
2、高精度、高剛度：高精密制造技術(shù)，高精度的軸承，以及優(yōu)化的內(nèi)置電機(jī)設(shè)計(jì)，使主軸擁有更高的精度和剛度。
3、電機(jī)發(fā)熱量更低：在相同的冷卻條件下，此款主軸的溫升降低，主軸熱伸出量減少，加工精度更高。
4、完美匹配各大品牌驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如西門子、三菱、海德漢、發(fā)那科等。
弱磁調(diào)速型永磁同步電機(jī)的成功研發(fā)以及在高速電主軸中的批量應(yīng)用，進(jìn)一步豐富了昊志機(jī)電的產(chǎn)品類別，同時(shí)，打破了因感應(yīng)電機(jī)固有特性而造成的電主軸性能難以獲得進(jìn)一步提升的困局，對(duì)于中國(guó)機(jī)床行業(yè)以及機(jī)床核心功能部件的發(fā)展都有著重要的里程碑意義。更標(biāo)志著昊志機(jī)電在“振興中國(guó)裝備制造業(yè)，打破國(guó)外壟斷而不斷努力奮頭”的目標(biāo)上又向前邁進(jìn)了堅(jiān)實(shí)的一步。
下表為該款永磁同步電機(jī)電主軸的相關(guān)參數(shù)：
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