CNC电主轴的新一代技术——永磁同步电机

光电与显示 · 公众号 · 硬件 · 2017-03-27 09:55

正文

电主轴是数控机床的核心功能部件，其性能的优劣直接影响着数控机床的加工精度，决定其生产效率和良品率。而作为电主轴驱动系统的关键和核心，主轴内置电机担当着驱动系统动力执行部件这一重要角色，其性能直接影响到数控机床的动态刚性、加工精度、加工速度、振动和噪声等关键技术指标，故电机对于机床的性能、结构布局和制造成本均具有很大的影响。

因感应电机结构简单，设计方法成熟、控制方便、易于弱磁调速，故在目前的数控机床电主轴的应用中仍然占据主流地位。

感应电机

感应电机虽应用广泛，但却存在以下问题：

一

功率因数和效率较低，需要较大容量的驱动器；

二

转矩密度低，需要较大安装空间；

三

低速力能特性差；

四

感应电机转子存在非常严重的发热问题，因转子参数随温度而变化，进而影响电机的控制精度，降低加工精度；同时，当热量传到主轴上会大大影响工件的加工质量。故感应电机对冷却结构的设计有着较高的要求。

因此，研发具有宽调速范围和低速大转矩，满足高档数控机床性能要求的永磁同步电机无疑是突破窠臼，引领电主轴技术变革的不二选择。

何为永磁同步电机？

永磁同步电机，英文名称为Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM，指的是由永磁体直接产生磁场的交流电机。

永磁同步电机与感应电机对比

永磁同步电机四大优势

一

电机体积较小、重量轻

近年来随着高性能永磁材料的不断应用，永磁同步电机的功率密度得到很大的提高，相同体积下永磁同步电机输出扭矩约是感应电机的1.7倍。

二

调速范围宽

基于特殊结构设计的永磁同步电机，可在恒转矩运行时采用最大转矩/电流控制策略，而恒功率运行时采用弱磁控制策略，可获得良好的调速运行特性，成功实现了超过5倍的弱磁调速范围。

三

转动惯量小，可获得较高的加速度，动态性能好

四

过载能力大

永磁同步电机转子无滑差，当进行刚性加工时，不会产生由于转速波动而带来的表面效果加工异常。‍

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‍永磁同步电机与异步电机的区别‍‍

随着电力电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。永磁同步电机与普通异步速电机相比，具有如下优势：

一、效率高

这里所说的效率高不仅仅指额定功率点的效率离于普通三相异步电机，而是指其在整个调速范围内的平‍均效率。永磁同步电机的励磁磁场由永磁体提供，转子不需要励磁电流，电机效率提高，与异步电机相比，任意转速点均节约电能，尤其在转速较低的时候这种优势尤其明显。

二、启动转矩

永磁同步电机一般也采用异步起动方式，由于永磁同步电机正常工作时转子绕组不起作用，在设计永磁电机时，可使转子绕组完全满足高起动转矩的要求，例如使起倍1.8倍上升到2.5倍，甚至更大。

三、对电网运行的影响

因异步电机的功率因数低，电机要从电网中吸收大量的无功电流，造成电网翰变电设备及发电设备中有大量无功电流，进而使电网的品质因数下降，加重了电网及枪变电设备及发电设备的负荷，同时无功电流在电网、翰变电设备及发电设备中均要消耗部分电能，造成电力电网效率变低，影晌了电能的有效利用。同样由于异步电机的效率低，要满足翰出功率的耍求，势必要从电网多吸收电能，进一步增加了电两能量的损失，加重了电网负荷。在永磁电机转子中无感应电流励班，电机的功率因数高，提高了电网的品质因数使电网中不再需安装补偿器。同时，因永磁电机的高效率，也节约了电能。

四、体积小，重量轻

由于使用了高性能的永磁材料提供磁场，使得永磁电机的气隙磁场较感应电机大先增强，永磁电机的体积和重最较感应电机可以大大的缩小。例如11kW的异步电机重最为220kg，而永磁电机仅为92kg，相当于异步电机重量的45.8%。

基于以上对比优势，目前，永磁同步电机它比普通三相异步电机更高效，更节能！

永磁同步电机在电主轴系统中的应用

尽管永磁同步电机相比感应电机存在以上诸多优点，但想要将永磁同步电机应用在高速电主轴中并完美发挥其性能特点，仍存在着诸多困难与障碍。

在主轴驱动应用中，对电机的恒定功率速度运行范围有较高要求。目前在这一领域的主流仍旧是感应电机，其在恒定功率运行范围内采用弱磁控制方法。显然这一方法并不适用于永磁同步电机。

永磁同步电机的转子磁场乃是由永磁体产生，其磁场是固定无法直接调节的，只能利用直轴电枢反应去磁效应，通过调节电机定子电流的相位来产生一个电流去磁分量，逐步削弱气隙磁场，从而达到调节磁场的目的。我们称之为弱磁。