交流主轴电动机驱动的主轴驱动系统

1.结构特点

前面提到，在交流伺服电动机的分类中有感应式交流伺服电动机和永磁同步式交流伺服电动机两种结构，而且大多为后一种结构形式。而交流主轴电动机与交流伺服电动机不同。交流主轴电动机采用感应电动机形式。这是因为受永磁体的限制，当容量做得很大时电动机成本太高，使数控机床无法使用。另外数控机床主轴驱动系统不必像进给驱动系统那样，要求如此高的性能，调速范围也不要太大。因此，采用感应式交流伺服电动机进行矢量控制就完全能满足数控机床主轴的要求。

感应式交流伺服电动机在总体结构上是由三相绕组的定子和有笼条的转子构成的。虽然也可采用普通感应电动机作为数控机床的主轴电动机，但一般而言，交流主轴电动机是专门设计的，各有自己的特色。如为了增加输出功率、缩小电动机的体积，都采用定子铁芯在空气中直接冷却的办法，所以电动机没有机壳，而且在定子铁芯上加工有轴向孔以利通风等。为此，在电动机的外形上呈多边形而不是圆形。交流主轴电动机的转子结构与一般笼型感应电动机相同，多为带斜槽的铸铝结构（见图7-22）。在这类电动机轴的尾部上装检测用脉冲发器或脉冲编码器。

图7-22　交流主轴电动机结构及特性曲线

1—交流主轴电动机；2—普通感应电动机；3—冷却通风孔

在电动机安装上，一般有法兰式和底脚式两种，可根据不同需要选用。

2.交流主轴电动机性能

交流主轴电动机的特性曲线如图7-22所示。从图中曲线可以看出，交流主轴电动机的特性曲线与直流主轴电动机类似：在基本速度以下为恒转矩区域，而在基本速度以上为恒功率区域。但有些电动机，如图7-22所示，当电动机速度超过某一定值之后，其功率—速度曲线又会向下倾斜，不能保持恒功率。对于一般的交流主轴电动机来说，恒功率的速度范围只有1:3的速度比。另外，交流主轴电动机也有一定的过载能力，一般为额定值的1.2～1.5倍，过载时间则为几分钟到半个小时。

3.新型交流主轴电动机结构

从国外较有代表性的FANUC公司的研制情况来看，交流主轴电动机结构有下述三方面的新发展。

（1）输出转换型交流主轴电动机。为了满足机床切削的需要，要求主轴电动机在任何刀具切削速度下都是提供恒定的功率。但主轴电动机本身由于特性的限制，在低速时输出功率发生变化（即为恒转矩输出），而在高速区则为恒功率输出。主轴电动机的恒定特性可用在恒转矩范围内的最高速和恒功率时的最高速之比来表示。对于一般的交流主轴电动机，这个比例为1:3～1:4。因此，为了满足切削的需要，在主轴和电动机之间安装齿轮箱，使之在低速时仍有恒功率输出。如果主轴电动机本身有宽的恒功率范围，则可省略齿轮箱，简化整个主轴机构。

为此，FANUC公司开发出一种称为输出转换型交流主轴电动机。该电动机使输出切换方便很多，其中包括△—Y（三角—星形）切换和绕组数切换，或二者组合切换。尤其是绕组数切换格外方便，而且每套绕组都能分别设计成最佳的功率特性，能得到非常宽的恒功率范围，一般能达到1:8～1:30。

（2）液体冷却主轴电动机。在电动机尺寸一定的条件下，为了得到大的输出功率，必然会大幅度增加电动机发热量。为此，必须解决电动机的散热问题。一般是采用风扇冷却的方法散热，但采用液体（润滑油）强迫冷却法能在保持小体积条件下获得大的输出功率。液体冷却主轴电动机的结构形式如图7-23所示。

图7-23　液体冷却主轴电动机的结构形式

液体冷却主轴电动机的结构特点是：在电动机外壳和前端盖中间有一个独特的油路通道，用强循环的润滑油经此来冷却绕组和轴承，使电动机可在20 000 r/min高速下连续运行。同时，这类电动机的恒功率范围也很宽。(www.xing528.com)

（3）内装式主轴电动机。如果能将主轴与电动机制成一体，那么即可省去齿轮机构，使主轴驱动机构简化。如图7-24所示的内装式主轴电动机，就是将主轴与电动机合为一体：电动机轴就是主轴本身，而电动机的定子被拼入在主轴头内。

图7-24　内装式主轴电动机的结构形式

由图可知，内装式主轴电动机由三个基本部分组成：空心轴转子、带绕组的定子和检测器。由于取消了齿轮机构的传动及与电动机的连接，简化了结构形式。这样，降低了噪声、共振，即使在高速下运行，内装式主轴电动机的振动也极小。

4.交流主轴控制单元

矢量变换控制（Tranvektor control）是1971年由德国Felix Blaschke等人提出的，是对交流电动机进行调速控制的理想方法，其基本思路是把交流电动机近似地模拟成直流电动机，使其能够像直流电动机一样，通过对等效电枢绕组电流和励磁绕组电流的控制，以达到控制转矩和励磁磁通的目的。感应电动机的这种控制方法的数学模型与直流电动机的数学模型极其相似。因此采用矢量变换控制的感应电动机能得到与直流电动机同样优越的调速性能。由于矢量变换控制理论比较复杂，故在这里不再叙述。在运用矢量变换控制的电动机中6SC65最为典型。

SIEMENS晶体管脉宽调制主轴驱动装置6SC65是由微处理器的全数字交流主轴系统与IPH5/6型三相感应电动机配套使用。6SC65采用西门子公司精心设计的矢量变换控制原理，确保了主轴具有良好控制特性，其动态特性超过相应的直流驱动系统，其特点如下。

（1）交流笼型感应电动机功率范围为3～63 kW，最高转速分别可达8 000 r/min、6 300 r/min和5 000 r/min，交流主轴电动机采用强迫冷却，冷却空气从驱动端流向非驱动端，以控制其温升。

（2）采用安装在轴端的编码器检测主轴转速和转子位置，定子绕组的温度由安装在电动机内的热敏电阻监测，以防电动机过热。

（3）采用配套变速齿轮箱可以降速，从而增大转矩。

（4）在主轴驱动装置上，采用键盘与数码管显示将近200个控制驱动装置的参数输入，因此可以很方便地调整和改变其驱动特性，使其达到最佳状态。

（5）具有很宽的恒功率调速范围，IPH5107电动机驱动特性曲线如图7-25所示。

（6）将先进的微电子技术与笼型感应电动机维护简便和坚固耐用的特点结合在一起，加上完备的故障诊断与报警功能，确保可靠运行。

（7）西门子主轴交流驱动装置通过增加C轴控制元件，可使其本身具有进给功能，转速为0.01～300 r/min，定位精度可达±0.01°。

（8）当数控系统不具备主轴准停控制功能时，西门子交流驱动装置可采用主轴定位元件，自身完成准停控制，其准停位置可作为标准参数设定于驱动装置中。

图7-25　IPH5107电机驱动特性曲线