新型電機技術在電主軸行業的應用

程剛剛+++楊洋

摘 要：隨著機械加工行業高速、高精、高效加工技術的飛速發展，機床行業對電主軸的要求也越來越高，電機作為電主軸的核心部件，其性能參數直接影響著電主軸的使用效果，所以只有采用新型電機技術，不斷提高電主軸電機的性能，才能滿足機床行業的快速發展。

關鍵詞：電主軸；新型技術；機床行業；主軸電機

前言

隨著國民經濟持續、快速、穩定增長，我國機床工具行業已取得了長足的發展與進步，電主軸作為數控機床的核心功能部件，也存在很大提升空間。影響電主軸的兩大關鍵部件，一是主軸軸承，二就是主軸電機。傳統主軸電機多采用三相鼠籠式異步電機，但是三相鼠籠式異步電機效率和功率因數低，功率密度小，低速性能差，轉子發熱大等缺點，已經限制了電主軸技術的發展。為了提高主軸電機的功率、轉速，降低電機的發熱量，延長主軸壽命，就必須應用新型電機技術。

1 鑄銅轉子技術

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

表1

從表1中可以看到銅的電阻率、導熱率、強度均高于鋁，所以采用鑄銅轉子在設計合理的情況下，不僅能降低轉子發熱，提高電機功率密度，延長主軸壽命等優點。為驗證銅轉子與鋁轉子相比在電主軸上應用的差異，現對電主軸150MD36Y11更換電機轉子，一臺采用銅轉子，一臺采用鋁轉子，此款電主軸的參數為：額定電壓350V，額定轉速36000r/min、額定功率11kW。對此兩款電主軸的電機溫度、軸承溫度分別進行了數據記錄和對比如下。

通過圖1和圖2可以看出采用銅轉子后，主軸的電機和軸承溫度均得到了降低，其中采用銅轉子后電機在額定轉速下溫升下降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

主軸電機通常才用循環水或油冷卻，電機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，在遇到水汽時很容易擊穿，導致電機絕緣破壞，電機燒毀。

最新采用的塑封定子技術，定子線包無需浸漆，直接采用高絕緣、高導熱材料灌裝，大提升了電機的防護等級，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、耐震等優點。由于封裝材料采用導熱材料，導熱系數接近1w/mk，而空氣的導熱系數僅為0.023w/mk，所以封裝電機的散熱性能也大大提升。進行試驗發現，采用定子封裝后電機在開水中浸泡的情況下絕緣電阻達到2000MΩ級，防水性能遠遠超越真空浸漆定子繞組，并且在運轉時定子線包溫度減低10℃～15℃。

3 非晶材料

目前，定子鐵心所用材料主要為傳統的硅鋼片。由于定子鐵心中磁通的變化頻率與電機的轉速成正比，而單位損耗耗與頻率的 1.3～1.5次方成比例，一臺60000r/min的電機定子鐵心磁場變化頻率是3000r/min電機定子鐵心頻率的20倍，如鐵心中的磁通密度相同，高速電機的單位鐵耗高速電機總損耗的比例較大。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功率密度的情況下降低高速電機的發熱。非晶材料作為一種新興材料，其與硅鋼片相比，具有優異的磁性能，導磁率高于硅鋼片，損耗卻僅是硅鋼片的一半。

鐵基非晶合金的高飽和磁感應強度，Bs值1.56T，有效磁導率值明顯高于硅鋼，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，鐵基非晶合金優于硅鋼。對于電機鐵芯而言，若使用鐵基非晶合金替代傳統的硅鋼片，必將產生巨大的經濟效益。電機的轉速與電機鐵芯內的電磁頻率f成正比，所以要實現電機的高轉速必須提高電機的頻率f。電機的功率密度和電機鐵芯內的磁通密度值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強度Bs的限制，要大幅度提高電機的功率密度也必須提高電機的頻率f。

然而，電機定子鐵芯的總損耗又與頻率的1.3～1.5次方成正比。當電機的工作頻率從50Hz提高到500Hz，假設磁通密度Bm不變，電機的鐵損不是增加10倍，而是增加200多倍。因此隨著頻率的升高，硅鋼電機鐵芯的損耗將變得非常嚴重，直接導致電機效率顯著下降，甚至造成電機的過熱損壞。在電機的工作頻率范圍內，Fe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鐵芯可顯著提高電機效率。在工頻或更低頻率下，電機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以上電機鐵損明顯升高，使用非晶合金鐵芯對于降低電機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勢外，還具有硅鋼幾倍的磁導率。所以可以在很大程度上降低電機的勵磁電流，進而降低電機的銅損。

此外，在相同的勵磁磁場強度下，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。可見，在較高的頻率下使用非晶鐵芯比硅鋼鐵芯更具優勢。

由于非晶合金磁性能優異，使得非晶電機具有高效率、高功率密度等優勢。優異的導磁性、耐腐蝕性、耐磨性、高的強度和硬度，高的電阻率和機電耦合性能，決定了非晶電機的體積小、效率高、損耗低、溫升低等優點。

4 永磁電機技術

永磁同步電動機是指由永磁體直接才生磁場的三相交流電機，永磁電機與異步電機相比具有結構簡單，體積小、重量輕、損耗小、效率高、功率因數高等優點。

4.1 體積小，轉子發熱低

由于永磁電機轉子磁場由永磁體產生，所以電機的功率密度可以做的很高，電機的體積能比異步電機小三分之一左右，另外轉子與定子磁場同步旋轉，轉子內沒有感應電流，所以永磁電機轉子渦流和鐵耗很小，永磁電機轉子發熱很低，同時可以有效降低電主軸的軸承溫度。

4.2 低速大扭矩

當主軸在低速剛性加工時，普通異步電機由于轉子滑差，往往在低速時會出現出力不足的現象，而永磁電機轉子同步旋轉，電機速度波動小，可以提高工件的表面加工效果。

4.3 轉子重量輕

永磁電機轉子經合理設計后，相同功率下重量僅為異步電機的一半左右，轉動慣量減小，可獲得較高的加速度，動態性能提高。

4.4 高效節能、綠色環保

永磁電機具有高功率因數、高效率等特點，當電主軸采用永磁電機后可以節電10%左右。

5 結束語

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

參考文獻

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