伺服式熱模鍛壓力機驅動電機的研究

陳 超，趙升噸，崔敏超，范淑琴

（西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安710049）

伺服式熱模鍛壓力機驅動電機的研究

陳 超，趙升噸，崔敏超，范淑琴

（西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安710049）

本文首先對熱模鍛壓力機進行簡單介紹，提出驅動電機技術是伺服式熱模鍛壓力機關鍵技術之一。又對伺服式熱模鍛壓力機研究現狀進行分析，介紹舒勒的伺服式熱模鍛壓力機產品。對熱模鍛壓力機的四種驅動電機的可行性進行分析。交流異步電機由于不能實現伺服控制，不適合應用于伺服式熱模鍛壓力機；變頻調速電機在伺服式熱模鍛壓力機上的應用還有待進一步研究；開關磁阻電機和交流伺服電機目前已經在伺服式熱模鍛壓力機上得到應用，其優良的伺服性能能夠滿足伺服式熱模鍛壓力機的要求。

伺服式熱模鍛壓力機；交流異步電機；變頻調速電機；開關磁阻電機；交流伺服電機

熱模鍛壓力機是目前常用的鍛壓設備之一，近年來在金屬鍛壓行業得到越來越多的應用。熱模鍛壓力機具有剛度高、加強滑塊導向、滑塊行程次數高等特點[1]。目前常用熱模鍛壓力機加工的鍛件主要有：①具有復雜的結構形狀，且主要通過擠壓成形方式加工的鍛件；②主要通過鐓粗工藝成形的鍛件；③在加工前期需要進行引伸工序的鍛件。

傳統的熱模鍛壓力機性能較差，生產率低，鍛件精度低，不能滿足工業生產對模鍛設備節能化、伺服化、精密化的要求[2-4]。近年來，伺服式熱模鍛壓力機的研究獲得廣泛關注，其關鍵技術之一即為驅動電機的研究。目前可以在熱模鍛壓力機上應用的電機有交流異步電機、變頻調速電機、開關磁阻電機和交流伺服電機等。

1 伺服式熱模鍛壓力機研究現狀

目前國內尚沒有伺服式熱模鍛壓力機制造商。該部分研發技術一直被國外壟斷。在國外，舒勒的伺服式熱模鍛壓力機處于世界領先水平。其采用多個力矩電機作為動力源，通過齒輪減速裝置與主軸相連。由于采用了伺服驅動，熱模鍛壓力機的行程速度和鍛造速度能夠根據工藝需求以最佳方式適應工件。滑塊在下死點附近運動時間短，有利于降低模具和熱鍛件的接觸時間，減少傳遞到模具上的熱量，從而有利于提高生產率。

舒勒生產的伺服式熱模鍛壓力機適用于鋼鍛件和有色金屬鍛造件的大批量生產，壓力機鍛壓能力范圍為12500kN～31500kN。伺服式熱模鍛壓力機可以根據材料的不同對滑塊行程曲線進行變換。在鍛造鋼件時，通過伺服控制，伺服式熱模鍛壓力機的模具與熱鍛件的接觸時間比傳統熱模鍛壓力機短很多。

圖1 舒勒的伺服式熱模鍛壓力機

2 交流異步電機

交流異步電機具有結構簡單[5]、價格便宜、耐用性強和維護保養方便[6]等優點，但也有啟動電流大、電機頻繁啟停時發熱嚴重、不能頻繁啟停等明顯缺點。

交流異步電機不能頻繁啟停，不能滿足鍛壓沖壓次數的要求，因此傳統熱模鍛壓力機必須帶有所謂的心臟部件--離合器和制動器。而離合器和制動器使傳統熱模鍛壓力機多消耗20%左右的離合與制動能量。此外，離合器和制動器還需要更換磨損過度的摩擦材料，因此使用和維護費用比較高。

如圖2所示，目前國內常見的傳統熱模鍛壓力機均采用交流異步電機作為驅動源，這種熱模鍛壓力機不能實現伺服控制，結構笨重，能量利用率低。交流異步電機不能直接應用于伺服式熱模鍛壓力機，由于不能實現伺服控制，很難滿足伺服式熱模鍛壓力機的工作要求。

圖2 青島宏達的熱模鍛壓力機

3 變頻調速電機

變頻調速電機簡稱變頻電機，是變頻器驅動的電動機的統稱。變頻器主要通過控制半導體元件的通斷把電壓和頻率不變的交流電變成電壓和頻率可變化的交流電源[7]。變頻調速電機具有調速范圍寬[8]、調速效率高[9]、噪聲低、可適應不同工況的頻繁變速等優點，非常適合應用于需要頻繁啟停或變速的場合。

但是，變頻調速電機在實際應用中也有很多困難。變頻調速系統中的功率開關器件的耐壓水平低于我國發電廠的電動機供電電壓，造成電壓匹配上的問題。高壓大功率變頻調速裝置技術難度大，實現起來比較復雜，成本較高。此外，由于變頻器輸出的是非正弦波形的信號，導致容易產生高次諧波，影響電動機和供電電源的正常工作，使電動機附加損耗增加、溫升增高，降低電動機的效率和功率因數，出力受到限制等。

變頻調速系統由于使用了很多電子元器件，成本較高。目前變頻調速電機在小功率場合應用較多，在熱模鍛壓力機上的應用還有待進一步開發。但隨著變頻調速電機的發展及相關電子元器件價格的降低，變頻調速系統在熱模鍛壓力機伺服驅動上將會得到更多的應用。

4 開關磁阻電機

開關磁阻電機是一種新型的調速電機。開關磁阻電機具有結構簡單[10]、可靠性高、成本低、動態響應好等優點，但也具有轉矩脈動大、振動和噪聲大等缺點。開關調速系統由控制器與開關磁阻電機兩部分組成。如圖3所示為山東科匯公司生產的開關磁阻電機。

圖3 山東科匯公司的開關磁阻電機

由開關磁阻電機驅動的伺服式熱模鍛壓力機與傳統熱模鍛壓力機結構不同之處是沒有離合器、制動器及其控制系統。其結構組成為：開關磁阻伺服電機經過一級或二級減速驅動曲柄連桿滑塊運動；電機軸設置電磁制動器，曲軸段設置位置傳感器。

壓力機起動時，開關磁阻伺服電機采用恒轉矩控制策略由零速加速工作，通過減速傳動機構帶動工作機構運動，電機在加速階段提供能量并存儲于帶輪、齒輪等系統的轉動慣量，此能量不低于鍛壓時的工作能量。壓力行程時，模具接觸工件，釋放此能量進行鍛壓；回程時，電機帶動滑塊上行，當滑塊靠近上死點時，伺服電機減速，制動器實施斷電制動，滑塊停在上死點，完成一個工作循環。如圖4為科匯提出的一種開關磁阻電機驅動壓力機方案。

圖4 開關磁阻電機驅動的伺服壓力機

5 交流伺服電機

伺服系統是由伺服電機、控制器和驅動器等組成的一個系統。伺服電機的控制速度和位置精度非常準確，能實現高精度的驅動。伺服電機將信號轉換為轉矩或轉速，進而控制驅動對象。伺服電機轉子轉速在控制信號下能快速反應，在自動控制系統中，常用作執行元件，且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性。

伺服電機具有精度高、適應性強、噪聲低、響應速度快[11]、工作穩定等優點。伺服電機的抗過載能力強，非常適合應用于有轉矩波動或快速起動的場合。但伺服電機目前也存在價格高等缺點，尤其是大功率的伺服電機，造價非常高。

交流伺服電機在伺服式壓力機上應用廣泛，目前國內外市場上的伺服式壓力機大多采用的是交流伺服電機[12]。目前采用交流伺服電機驅動壓力機的公司有日本的小松、網野、會田、天田，德國的舒勒，國內的揚鍛、合鍛、興鍛等。如圖5所示為天田公司生產的伺服壓力機。交流伺服電機在伺服式壓力機上的應用技術已經比較成熟，也非常適合應用在伺服式熱模鍛壓力機上。

圖5 SDEW2025伺服壓力機

6 結論

傳統熱模鍛壓力機由于成本高、精度低、工藝范圍窄等缺點將被新一代的伺服式熱模鍛壓力機代替。伺服式熱模鍛壓力機具有能量利用率高、滑塊行程次數可調、伺服控制性能好和結構簡單等優點。目前國內的伺服式熱模鍛壓力機技術落后于國外，需要投入更多的資金和精力進行研究。

在驅動電機方面，交流異步電機由于不能頻繁啟停等原因，不能直接應用于熱模鍛壓力機。變頻調速電機由于其變頻調速性能好，在性能上滿足伺服式熱模鍛壓力機的需求，其在伺服式熱模鍛壓力機上的應用需要進一步研究。開關磁阻電機和交流伺服電機目前已經在伺服壓力機上實現了應用，其優良的調速性能和伺服控制性能大幅提高了伺服壓力機的生產能力。新一代的伺服式熱模鍛壓力機可采用開關磁阻電機和交流伺服電機作為其主要驅動電機。

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[5]M.Abul.Masrur，R.J.Hampo，J.M.Miller.Rotational sensorless scalar control of three-phase induction motors and its application to automotive electric power assist steering[C].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，2004，（214）：33-34.

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Study on driving motor of hot die forging servopress

CHEN Chao,ZHAO Shengdun,CUI Minchao,FAN Shuqin
（School of Mechanical Engineering,Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049,Shanxi China）

The hot die forging press has been firstly introduced in the text in order to propose that the driving motor is one of key technologies for the hot die forging servo press.The research status of hot die forging servo press has beenanalyzed and the press of Schuler has beenexpounded.The applying feasibility of four types of driving motor in hot die forging servo press has been analyzed.The AC asynchronous motor is not suitable for hot die forging servo press as it has no servo control.The application of variable-frequency and variable-speed motor in hot die forging servo press needs to be studied further.The switch reluctance motor and AC servo motor have been successfully appliedin hot die forging servo press and their excellent servo performance can meet the requirements of hot die forging servo press.

Hot die forging servo press;AC asynchronous motor;Variablefrequency&speed motor;Switch reluctance motor;AC servo motor

TG315

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.01.002

1672-0121（2016）01-0013-04

2015－07－15；

2015－09－06

國家自然科學基金資助項目（51305333）；國家自然科學基金重點項目（51335009）

陳 超（1990-），男，博士研究生，從事機電液一體化和塑性成形工藝研究。E-mail:849918977@qq.com