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              永磁同步電機——引領電主軸新一代技術變革

              2016-05-19

              電主軸是數控機床的核心功能部件,其性能的優劣直接影響著數控機床的加工精度,決定其生産效率和良品率。而作爲電主軸驅動系統的關鍵和核心,主軸內置電機擔當著驅動系統動力執行部件這一重要角色,其性能直接影響到數控機床的動態剛性、加工精度、加工速度、振動和噪聲等關鍵技術指標,故電機對于機床的性能、結構布局和制造成本均具有很大的影響。

              因感應電機結構簡單,設計方法成熟、控制方便、易于弱磁調速,故在目前的數控機床電主軸的應用中仍然占據主流地位。


              感應電機感應電機雖應用廣泛,但卻存在以下問題:
              1、功率因數和效率較低,需要較大容量的驅動器;
              2、轉矩密度低,需要較大安裝空間;
              3、低速力能特性差;
              4、感應電機轉子存在非常嚴重的發熱問題,因轉子參數隨溫度而變化,進而影響電機的控制精度,降低加工精度;同時,當熱量傳到主軸上會大大影響工件的加工質量。故感應電機對冷卻結構的設計有著較高的要求。

              因此,研發具有寬調速範圍和低速大轉矩,滿足高檔數控機床性能要求的永磁同步電機無疑是突破窠臼,引領電主軸技術變革的不二選擇。

              作爲專業從事高精密電主軸及其零配件的研發設計、生産制造、銷售與維修服務的環保型高新技術企業,昊志機電(股票代碼300503)秉承“技術支撐産品,管理提升品質”的企業理念,通過持之以恒的自主創新和堅持不懈的技術攻關,已成功研制並批量生産出一系列弱磁調速型永磁同步電機並將其應用在高速電主軸中。其中DGZYX-15018/22A20-BFHWVJLS高速加工中心用弱磁調速型永磁同步電機電主軸更是具有優異的切削性能。 

              何爲永磁同步電機?

              永磁同步電機,英文名稱爲Permanent Magnet Synchronous Motor,簡稱PMSM,指的是由永磁體直接産生磁場的交流電機。

               

              永磁同步電機四大優勢

              一、電機體積較小、重量輕

                  近年來隨著高性能永磁材料的不斷應用,永磁同步電機的功率密度得到很大的提高,相同體積下永磁同步電機輸出扭矩約是感應電機的1.7倍。

              二、調速範圍寬

                  基于特殊結構設計的永磁同步電機,可在恒轉矩運行時采用最大轉矩/電流控制策略,而恒功率運行時采用弱磁控制策略,可獲得良好的調速運行特性,成功實現了超過5倍的弱磁調速範圍;

              三、轉動慣量小,可獲得較高的加速度,動態性能好

              四、過載能力大

              永磁同步電機轉子無滑差,當進行剛性加工時,不會産生由于轉速波動而帶來的表面效果加工異常。

              永磁同步電機在電主軸系統中的應用

              盡管永磁同步電機相比感應電機存在以上諸多優點,但想要將永磁同步電機應用在高速電主軸中並完美發揮其性能特點,仍存在著諸多困難與障礙。

              在主軸驅動應用中,對電機的恒定功率速度運行範圍有較高要求。目前在這一領域的主流仍舊是感應電機,其在恒定功率運行範圍內采用弱磁控制方法。顯然這一方法並不適用于永磁同步電機。

              永磁同步電機的轉子磁場乃是由永磁體産生,其磁場是固定無法直接調節的,只能利用直軸電樞反應去磁效應,通過調節電機定子電流的相位來産生一個電流去磁分量,逐步削弱氣隙磁場,從而達到調節磁場的目的。我們稱之爲弱磁。

              第一個制約永磁同步電機在高速電主軸中的應用的主要障礙即是弱磁調速問題。

              爲了攻克這個難題,工程師們做了大量的研究工作,目前,昊志機電已經成功研究出了一種基于Halbach磁體結構的寬弱磁永磁同步電機技術,使得這類電機的弱磁調速倍數超過5倍。在高速電主軸的應用中,除了對電機的恒功率運行範圍有較高要求外,還對電機的轉矩脈動有著非常嚴格的要求。昊志機電DGZYX-15018/22A20-BFHWVJLS高速加工中心用弱磁調速型永磁同步電機電主軸在S6-40%工作制下,電機的轉矩過載倍數達到1.5倍,在S6-25%工作制下,電機的轉矩過載倍數可達到1.7倍。

              昊志機電需要攻克的第二個難關是降低永磁同步電機的轉矩脈動,使其轉矩盡可能的保持絕對平滑。

              針對這一問題,工程師們雙 管齊下,一邊通過合理設計電機參數使得電機更接近獲得平滑轉矩的理想特性,同時采用適當的控制算法,修正電機或控制器引起的一些非線性特性從而降低轉矩脈動。

              在此過程中,我們通過采用電磁場有限元設計方法,對電機的極槽數、極弧系數進行合理選擇,通過優化氣隙磁密波形、轉子形狀以及增設輔助槽等一系列手段將轉矩脈動控制在一個極低的範圍內。

              除了上述兩大問題,我們還對永磁同步電機的剛度、受力分析進行計算並做了詳實深入的研究,以最大限度的發揮永磁同步電機的性能,使得永磁同步電機電主軸的各項參數和加工質量獲得了極大的提升。 

              這款型號爲DGZYX-15018/22A20-BFHWVJLS的高轉速、高功率、大扭矩永磁同步電機結構的高速加工中心電主軸,其最高轉速達18,000rpm,主要用于汽車、模具等金屬材料的鑽銑加工,並可實現高速銑削、镗削和低速重加工。
              該主軸開創性地將機械皮帶(或直聯主軸)與伺服電機有效的結合在一起,避免了高速加工中心主軸(機械皮帶或直聯主軸)的安裝瓶頸,可以實現高轉速、高精度、高效率、高光潔度的加工。
              與同類型的感應電機電主軸相比,此款主軸具有以下獨特優勢:
              1、更大的輸出功率與扭矩,更高的功率因數,更平穩精確的控制性能:此款主軸比相同體積的感應電機主軸功率提升21%,扭矩提升34%。
              2、高精度、高剛度:高精密制造技術,高精度的軸承,以及優化的內置電機設計,使主軸擁有更高的精度和剛度。
              3、電機發熱量更低: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動系統,如西門子、三菱、海德漢、發那科等。
               
              弱磁調速型永磁同步電機的成功研發以及在高速電主軸中的批量應用,進一步豐富了昊志機電的産品類別,同時,打破了因感應電機固有特性而造成的電主軸性能難以獲得進一步提升的困局,對于中國機床行業以及機床核心功能部件的發展都有著重要的裏程碑意義。更標志著昊志機電在“振興中國裝備制造業,打破國外壟斷而不斷努力奮頭”的目標上又向前邁進了堅實的一步。

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