新型電機(jī)技術(shù)在電主軸行業(yè)的應(yīng)用

程剛剛+++楊洋

摘 要：隨著機(jī)械加工行業(yè)高速、高精、高效加工技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)床行業(yè)對電主軸的要求也越來越高，電機(jī)作為電主軸的核心部件，其性能參數(shù)直接影響著電主軸的使用效果，所以只有采用新型電機(jī)技術(shù)，不斷提高電主軸電機(jī)的性能，才能滿足機(jī)床行業(yè)的快速發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電主軸；新型技術(shù)；機(jī)床行業(yè)；主軸電機(jī)

前言

隨著國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速、穩(wěn)定增長，我國機(jī)床工具行業(yè)已取得了長足的發(fā)展與進(jìn)步，電主軸作為數(shù)控機(jī)床的核心功能部件，也存在很大提升空間。影響電主軸的兩大關(guān)鍵部件，一是主軸軸承，二就是主軸電機(jī)。傳統(tǒng)主軸電機(jī)多采用三相鼠籠式異步電機(jī)，但是三相鼠籠式異步電機(jī)效率和功率因數(shù)低，功率密度小，低速性能差，轉(zhuǎn)子發(fā)熱大等缺點(diǎn)，已經(jīng)限制了電主軸技術(shù)的發(fā)展。為了提高主軸電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速，降低電機(jī)的發(fā)熱量，延長主軸壽命，就必須應(yīng)用新型電機(jī)技術(shù)。

1 鑄銅轉(zhuǎn)子技術(shù)

目前電主軸采用的電機(jī)絕大多數(shù)是三相異步鑄鋁電機(jī)，鑄鋁電機(jī)存在溫升高，轉(zhuǎn)子極限線速度低等問題。銅的電阻率比鋁小接近40%，所以如果使用銅轉(zhuǎn)子替代鋁轉(zhuǎn)子可以明顯降低電機(jī)溫升，提高主軸壽命。另外銅的極限線速度是鋁的約1.3倍，采用銅轉(zhuǎn)子同樣可以提高主軸極限轉(zhuǎn)速，增大主軸電機(jī)功率密度。目前國內(nèi)外主軸行業(yè)，都以高轉(zhuǎn)速、高功率密度為方向，并且國內(nèi)外很多廠家已經(jīng)做到了銅轉(zhuǎn)子的批量應(yīng)用，也取得了很好的效果。表1是銅和鋁兩種材質(zhì)的特性對比：

表1

從表1中可以看到銅的電阻率、導(dǎo)熱率、強(qiáng)度均高于鋁，所以采用鑄銅轉(zhuǎn)子在設(shè)計(jì)合理的情況下，不僅能降低轉(zhuǎn)子發(fā)熱，提高電機(jī)功率密度，延長主軸壽命等優(yōu)點(diǎn)。為驗(yàn)證銅轉(zhuǎn)子與鋁轉(zhuǎn)子相比在電主軸上應(yīng)用的差異，現(xiàn)對電主軸150MD36Y11更換電機(jī)轉(zhuǎn)子，一臺采用銅轉(zhuǎn)子，一臺采用鋁轉(zhuǎn)子，此款電主軸的參數(shù)為：額定電壓350V，額定轉(zhuǎn)速36000r/min、額定功率11kW。對此兩款電主軸的電機(jī)溫度、軸承溫度分別進(jìn)行了數(shù)據(jù)記錄和對比如下。

通過圖1和圖2可以看出采用銅轉(zhuǎn)子后，主軸的電機(jī)和軸承溫度均得到了降低，其中采用銅轉(zhuǎn)子后電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下溫升下降13℃，前后軸承溫度也下降了將近10℃，由此可見采用銅轉(zhuǎn)子后，電主軸溫升得到了很大改善，這對電主軸的壽命有很大提升。

2 定子塑封技術(shù)

主軸電機(jī)通常才用循環(huán)水或油冷卻，電機(jī)的繞組采用絕緣漆真空烘浸，如圖3所示：

圖3 定子和水套組件圖

從圖中可以看出定子經(jīng)過真空浸漆后，在定子線包表面形成一層薄漆膜，由于漆膜很薄，在遇到水汽時(shí)很容易擊穿，導(dǎo)致電機(jī)絕緣破壞，電機(jī)燒毀。

最新采用的塑封定子技術(shù)，定子線包無需浸漆，直接采用高絕緣、高導(dǎo)熱材料灌裝，大提升了電機(jī)的防護(hù)等級，如圖4所示：

圖4 塑封定子和水套組件圖

從圖中可以看出定子采用塑封后，定子線包完全包裹，槽內(nèi)也完全密封，并與水套完全接觸，采用封裝定子線包具有耐水、耐油、耐震等優(yōu)點(diǎn)。由于封裝材料采用導(dǎo)熱材料，導(dǎo)熱系數(shù)接近1w/mk，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.023w/mk，所以封裝電機(jī)的散熱性能也大大提升。進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用定子封裝后電機(jī)在開水中浸泡的情況下絕緣電阻達(dá)到2000MΩ級，防水性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越真空浸漆定子繞組，并且在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)定子線包溫度減低10℃～15℃。

3 非晶材料

目前，定子鐵心所用材料主要為傳統(tǒng)的硅鋼片。由于定子鐵心中磁通的變化頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，而單位損耗耗與頻率的 1.3～1.5次方成比例，一臺60000r/min的電機(jī)定子鐵心磁場變化頻率是3000r/min電機(jī)定子鐵心頻率的20倍，如鐵心中的磁通密度相同，高速電機(jī)的單位鐵耗高速電機(jī)總損耗的比例較大。為降低鐵心的高頻損耗通常采用降低鐵芯磁密度或者低損耗材料的方法。

然而降低磁密后往往電機(jī)功率密度大大下降，所以采用一種高頻低損耗的材料才能在保證主軸電機(jī)功率密度的情況下降低高速電機(jī)的發(fā)熱。非晶材料作為一種新興材料，其與硅鋼片相比，具有優(yōu)異的磁性能，導(dǎo)磁率高于硅鋼片，損耗卻僅是硅鋼片的一半。

鐵基非晶合金的高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，Bs值1.56T，有效磁導(dǎo)率值明顯高于硅鋼，高頻下的損耗比硅鋼顯著降低，對于工作頻率介于幾百至幾千Hz的電機(jī)，鐵基非晶合金優(yōu)于硅鋼。對于電機(jī)鐵芯而言，若使用鐵基非晶合金替代傳統(tǒng)的硅鋼片，必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)鐵芯內(nèi)的電磁頻率f成正比，所以要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高轉(zhuǎn)速必須提高電機(jī)的頻率f。電機(jī)的功率密度和電機(jī)鐵芯內(nèi)的磁通密度值Bm與電磁頻率f的乘積成正比，但是受軟磁材料飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs的限制，要大幅度提高電機(jī)的功率密度也必須提高電機(jī)的頻率f。

然而，電機(jī)定子鐵芯的總損耗又與頻率的1.3～1.5次方成正比。當(dāng)電機(jī)的工作頻率從50Hz提高到500Hz，假設(shè)磁通密度Bm不變，電機(jī)的鐵損不是增加10倍，而是增加200多倍。因此隨著頻率的升高，硅鋼電機(jī)鐵芯的損耗將變得非常嚴(yán)重，直接導(dǎo)致電機(jī)效率顯著下降，甚至造成電機(jī)的過熱損壞。在電機(jī)的工作頻率范圍內(nèi)，F(xiàn)e基非晶合金的損耗可降低為硅鋼的1/3～1/5，因此使用非晶合金作電機(jī)鐵芯可顯著提高電機(jī)效率。在工頻或更低頻率下，電機(jī)鐵損占總損耗的比重不大，而且非晶合金的Bs值低于硅鋼，所以使用非晶合金替代硅鋼意義不大；然而在幾百Hz以上電機(jī)鐵損明顯升高，使用非晶合金鐵芯對于降低電機(jī)鐵損和鐵芯的溫升變得意義重大。Fe基非晶合金除了低損耗的優(yōu)勢外，還具有硅鋼幾倍的磁導(dǎo)率。所以可以在很大程度上降低電機(jī)的勵(lì)磁電流，進(jìn)而降低電機(jī)的銅損。

此外，在相同的勵(lì)磁磁場強(qiáng)度下，硅鋼鐵芯的磁通密度Bm會隨著頻率的升高而迅速下降，然而非晶合金鐵芯的磁通密度Bm隨著電磁場頻率升高而下降的幅度很小，基本可以忽略不計(jì)?？梢姡谳^高的頻率下使用非晶鐵芯比硅鋼鐵芯更具優(yōu)勢。

由于非晶合金磁性能優(yōu)異，使得非晶電機(jī)具有高效率、高功率密度等優(yōu)勢。優(yōu)異的導(dǎo)磁性、耐腐蝕性、耐磨性、高的強(qiáng)度和硬度，高的電阻率和機(jī)電耦合性能，決定了非晶電機(jī)的體積小、效率高、損耗低、溫升低等優(yōu)點(diǎn)。

4 永磁電機(jī)技術(shù)

永磁同步電動機(jī)是指由永磁體直接才生磁場的三相交流電機(jī)，永磁電機(jī)與異步電機(jī)相比具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小、重量輕、損耗小、效率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。

4.1 體積小，轉(zhuǎn)子發(fā)熱低

由于永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場由永磁體產(chǎn)生，所以電機(jī)的功率密度可以做的很高，電機(jī)的體積能比異步電機(jī)小三分之一左右，另外轉(zhuǎn)子與定子磁場同步旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子內(nèi)沒有感應(yīng)電流，所以永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流和鐵耗很小，永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)熱很低，同時(shí)可以有效降低電主軸的軸承溫度。

4.2 低速大扭矩

當(dāng)主軸在低速剛性加工時(shí)，普通異步電機(jī)由于轉(zhuǎn)子滑差，往往在低速時(shí)會出現(xiàn)出力不足的現(xiàn)象，而永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，電機(jī)速度波動小，可以提高工件的表面加工效果。

4.3 轉(zhuǎn)子重量輕

永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子經(jīng)合理設(shè)計(jì)后，相同功率下重量僅為異步電機(jī)的一半左右，轉(zhuǎn)動慣量減小，可獲得較高的加速度，動態(tài)性能提高。

4.4 高效節(jié)能、綠色環(huán)保

永磁電機(jī)具有高功率因數(shù)、高效率等特點(diǎn)，當(dāng)電主軸采用永磁電機(jī)后可以節(jié)電10%左右。

5 結(jié)束語

通過以上幾種新型電機(jī)技術(shù)的對比介紹，針對高速電主軸技術(shù)的飛速發(fā)展，綜合采用幾種新型技術(shù)的新型電機(jī)成為高速電機(jī)的發(fā)展趨勢。定子采用非晶材質(zhì)，定子繞組采用塑封技術(shù)，對于高速應(yīng)用場合，采用銅轉(zhuǎn)子技術(shù)，對于低速大扭矩場合采用永磁同步技術(shù)，通過幾種新型電機(jī)技術(shù)的綜合應(yīng)用才能適應(yīng)電主軸行業(yè)的發(fā)展需求。

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