機床用主軸電動機的開發現狀

  唐蘇亞(漣水縣經濟委員會)

    【摘  要】  介紹機床用主軸電動機的技術特點、內裝式主軸電動機和液冷卻式高轉矩主軸電動機的開發現狀和關鍵技術性能，指出主軸電動機將進一步向高速化、高精度化等方向發展。

    【敘  詞】  機床／主軸電動機轉矩控制驅動開發

1引  言

    近年來，隨著機床用伺服系統以及主軸控制的交流化、數字化、智能化，各種新型機床不斷問世，因而對機床用主軸電動機也提出了新的要求。以高速化、寬輸出范圍、高精度化為主要特征的新型機床用主軸電動機，目前在國外已進入實用階段。本文在論及這類電機的技術特點的同時，著重介紹內裝式主軸電動機和液冷卻式高轉矩主軸電動機的開發現狀及其關鍵技術性能。

2主軸電動機的技術特點〔1～3〕

2．1高速化

    隨著機床加工效率的提高以及被加工物體材質的多樣化，要求主軸電動機的高速化正在加強，這在鋁合金加工中顯得更為突出。由于高速化具有很高的技術經濟效益，近10年來，國外都非常重視這一技術的開發和應用．因而，對主軸電動機的高速化要求也變得非常重要。在國外，傳統的主軸電動機的標準轉速為6 000r／min，小容量主軸電動機的****轉速已達8 000r／rain。如果采用油氣潤滑和高速磁性軸承，則電機的轉速更高。如瑞士ibag公司開發的主軸部件共有三種規格，其功率和轉速參數分別為40 000r／minn(40kw);60000r／min(20kw)；80000r／min(10kw)。日本瀉鐵工的uhsio，其主軸轉速為100 000r／min，森精機的mv一65a／40，為25000r／min。這些主軸部件中的電動機均為不使用皮帶齒輪傳動的內裝式交流伺服主軸電動機。目前，這些主軸電動機在mc(加工中心)上巳得到廣泛應用。

2．2輸出功率范圍的擴大

    通常，在進行機械切削加工時，低速需要大的轉矩，高速則需要小的轉矩。因此，為了實現經濟型驅動，必須擴大輸出功率范圍。對于一般機床，都備有變速機構。根據主軸電動機自身的輸出功率范圍，經與齒輪或皮帶輪的組合，從而得到相應的輸出特性。但是，變速機構有加振源，不僅帶來加工精度下降，而且受到機械機構上的種種制約。國外通常采用在同一電動機中變換繞組的連線等新技術，這不但能省去機械式的變速裝置，而且可實現輸出功率范圍的擴大。這一方法是將低速和高速時電動機指令貯存在控制裝置內，根據外部指令變換參數和接觸器，從而改變控制裝置的容量，使輸出功率范圍擴大。圖1示出了日本安川公司uaaskb一0811ca3型交流主軸電動機的繞組變換方式的輸出特性，從圖中可看出：低速繞組的基礎轉速為500r／min，500～2000r／min作為額定輸出范圍，高速繞組的基礎轉速為1500r／min，1500～6000r／rain為額定輸出范圍，速比達1:12。

   

2．3高精度化

  主軸控制中造成精度下降的主要原因有：一是主軸及其電動機發熱，二是主軸電動機的速度變動和主軸齒輪產生振動。為了克服上述的缺點，保證主軸控制的高精度化，目前，國外通常采用液冷卻式主軸電動機和內裝式主軸電動機。前者采用冷卻液進行冷卻，后者把電動機和主軸設計成一體。

3內裝式主軸電動機限[3,4]

    傳統的主軸電動機從低速到高速中間要用皮帶輪或齒輪進行變速，變速極限大約是20 000r／min，超過這一轉速極限，電動機會產生振動、溫升升高及噪聲等。而內裝式主軸電動機，其主軸本身作為電動機的轉軸，定子則與主軸頭結合成一體，因而使整個主軸系統結構緊湊、重量輕和慣量小，有利于提高主軸起動或停轉時的響應特性。同時，由于取消了齒輪機構，因而變速運轉時的噪聲和振動大為降低。

    日本安川公司近年研制的40 000r／min高速內裝式主軸電動機內分別嵌有高速繞組和低速繞組，這兩種繞組具有各自的功率變化范圍，因此，不僅可用于機床的高速切削，也可用于低速切削，如鉆孔、攻絲等，圖2示出了該電動機高速和低速運轉時的輸出功率特性。

    

    據文獻(5)報導，高速內裝式主軸電動機選用的軸承主要是高速球軸承和磁性軸承。高速球軸承極限圓周速度低(40～80m／s，通常應用在切削速度低于3 000m／min以下的機床上。而磁性軸承的極限圓周速度高(200m／s以上)，且由于它是利用電磁力，使主軸(轉子)懸浮在磁場中，因此無需潤滑或冷卻。此外，它還具有無噪音、