电动机与驱动技术简介

当前电主轴的电动机均采用交流异步感应电动机,异步型电主轴的优点是结构较简单,制造工艺相对成熟和安装方便,特别是可以更大限度地减弱磁场,易于实现高速化。交流异步感应电动机有两种驱动和控制方式。

1.普通变频器驱动和控制

IBAG公司的HFK90S型普通变频器为标量驱动和控制,其驱动控制特性为恒转矩驱动,输出功率和转速成正比。其转矩和功率分别与转速的关系如图2-10和图2-11所示。

图2-10 转矩与转速的关系

图2-11 功率与转速的关系

这类驱动器在低速时输出功率不够稳定,不能满足低速大转矩的要求,也不具备主轴定向停止和C轴功能,但价格便宜。一般应用于主要在高速端工作的电主轴,如磨削、小孔钻削、雕刻铣和普通高速加工中心的电主轴。

近来出现了采用电压/频率≠常数控制策略的新型变频器。使得电动机在计算转速以上可以实现恒功率驱动;在计算转速以下,随着转速的升高,转矩由零迅速达到恒转矩驱动,如图2-12所示,改善了驱动的品质。

图2-12 新型变频器转矩、功率与转速曲线

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图2-13 电主轴转矩与转速的关系

2.矢量控制驱动器的驱动和控制

矢量控制驱动器的驱动和控制的特性为:在低速端为恒转矩驱动,在中、高速端为恒功率驱动,某型号电主轴的转矩和功率分别与转速的关系如图2-13和图2-14所示。有的矢量控制驱动器在高速端或最高速端的功率和转矩均略有下降的特性,从上述矢量控制的转矩与转速关系图中可以看出,矢量控制驱动器在刚启动时仍具有很大的转矩值。再加上电主轴的转动惯量很小,这就可以保证实现启动时瞬时达到最高速。这种驱动器又有开环和闭环两种,后者在主轴上装有位置传感器,可以实现位置和速度的反馈,不仅具有更好的动态性能,还可以实现主轴定向停止于某一设定位置和C轴功能;而前者动态性能稍差,也不具备定向停止和C轴功能,但价格较为便宜。以上转矩、功率分别与转速关系图中,每个图中均有三根曲线,分别为S₁、S₆和峰值(PEAK),这是因为电动机和驱动器均具有允许短时间或瞬时超载的能力。掌握这个特性,可在不同的情况下,最大限度利用电动机和驱动器的工作潜力,以提高经济效益。根据ISO定义,S₁为在电动机100%运转时间内,负载是连续不变的;而S₆为在电动机运转时间内,负载是断续的,即在每个2min的周期内,有60%的时间承受负载,另有40%的时间为空载,这种电动机运行方式称为S₆。

电主轴应用在机床上时,负载是断续的(当工序之间进行定位返程、换刀等动作时,机床加工过程将短时停顿),应按S₆来选定功率和转矩较为经济。所有电主轴厂家均分别提供S₁和S₆数据。

最近一个新的发展趋势是在电主轴中采用交流永磁同步电动机。对比现有的交流异步电动机,它有以下优点:

1)转子用永磁材料制造,工作过程中转子不发热。而当采用交流异步电动机时,定子发热虽可用水冷却,但转子发热无法得到充分冷却。

2)功率密度更高,即可用较小的尺寸得到较大的功率和转矩,有利于缩小电主轴的径向尺寸。

3)转子的转速严格与电源频率同步,因此功率因数高,效率也高。

4)也可采用矢量控制,且电路比异步电动机的简单。

图2-14 电主轴功率与转速的关系