交流伺服电机特性与应用研究

引言

永磁同步电机是一个多变量系统,具有时变、强耦合、非线性的特点,主要应用于高速加工中心和数控机床,直线电机进给系统可以直接提供推力给负载,不需要任何中间的机械传动结构,使用它可大大提高机床进给驱动的速度、精度和效率。相比传统的驱动方式,直线电机进给系统具有很大的优点:直线电机提供的加速度更大,能有效缩短加速和减速时间,提高响应速度;由于省去了中间传动环节,进给系统的传动刚度提高了,使得进给系统的定位精度和传动精度也得到了提高,同时省去了容易出现问题的集电环和碳刷,进给系统的结构也得到了简化,降低了产品成本,系统运行稳定性得到了提高,维护变得更为简单,提高了运行的效率和可靠性。

1XJT系列永磁同步直线电机技术特点

交流永磁同步伺服系统由控制系统、伺服驱动器和电机组成,相比其他交流伺服系统,交流永磁同步伺服系统的区别主要体现在电机上,即交流永磁同步电机。永磁同步电机的结构包括定子、转子和端盖等几部分,与其他电机相比,xJT系列永磁同步电机主要有以下技术特点:

(1)采用高性能钦铁硼磁材料,体积小,推力密度高,过载能力强。

(2)采用直线驱动,具有高刚性,全闭环,可实现高精度运行。

(3)采用水冷结构,具有高推重比,可实现更大加速度的高速运行。

(4)采用模块化设计,运动行程可无限扩展,应用领域广。

(5)重量轻,可靠性高。

由于该系列永磁同步直线电机兼有直线电机和永磁电机的双重优点,加上材料性能不断提高,更加适用于直线电机驱动技术,因而成为构成高速、高精度直线进给系统的首选机型,在高速、高精度数控机床中的应用越来越广泛。下面主要分析永磁同步直线电机在高档数控机床上的应用。

2永磁同步直线电机在高档数控机床上的应用技术分析

由于永磁同步直线电机本身具有较强磁性,其在高档数控机床上应用存在一些特异性的技术问题,需要合理解决。

2.1减少磁吸力

永磁同步直线电机在动子与定子之间会产生一个垂直于进给运动方向的法向磁吸力,法向磁吸力是电机可提供持续推力的10倍左右。磁吸一般存在于定子与动子、定子与安装件之间,无论电机动子中是否通电,法向磁吸力都存在。磁吸力的存在会引起直线导轨承受力增加,导致承受垂向力的直线导轨变形,一定程度上直接影响了数控机床的加工精度。另外,法向磁吸力也会增大导轨与滑块之间的压力,使得两者之间产生较大的移动摩擦力,摩擦力达到一定的数值,就会产生推力波动,降低数控机床的动态性能。因此,永磁同步直线电机应用在高档数控机床上,合理减小电机的磁吸力是一个需要重点解决的技术问题。广州数控研发的xJT系列永磁同步直线电机将电机动子、定子与机床直线导轨副结合起来设计,解决法向磁吸力引起的问题,利用动子与定子之间的法向磁吸力来实现两个永磁同步直线电机法向磁吸力水平方向的分力抵消为零。

2.2抗干扰问题

由于永磁同步直线电机驱动系统没有中间传动环节,容易受到很多因素的干扰,如工件质量、切削力的变化能直接作用于电机。所以,应用在高档机床上的永磁同步直线电机需要控制器具有较强的抗干扰能力和稳定性。目前,可以通过控制所需信号的其他部件远离直线电机磁场区域,减少干扰;另外,直线电机驱动的机床必须采用全闭环控制,从而确保控制系统的稳定性。

2.3发热问题

永磁同步直线电机在工作状态下线圈会发热,将产生很大的热量。由于电机通常安装在数控机床内部,永磁同步直线电机的绕组、铁芯就位于机床导轨附近,空间较小,散热困难,过高的热量将使导轨产生热变形,影响机床的工作精度。所以在直线电机驱动技术的应用中,散热问题处理也是至关重要的一个技术问题。目前常用的冷却措施为水冷,在直线电机动子内注入冷却水,水流在动子线圈绕组旁的冷却水套迂回流出,随即带走热量。需要注意的是,具体的冷却参数需根据实际应用过程中的电机参数及其要求而定。

3永磁同步直线电机的具体应用案例

下面以精度要求较高的高速外圆磨床为例,对永磁同步直线电机的实际应用状况做详细论述。该高速外圆磨床采用的是广州数控新研发生产的xJT系列永磁同步直线电机,这种电机的最大特点就是在运转过程中的全数字化,x轴采用直线电机与光栅尺闭环控制,具有非常强大的过载能力和速度调节能力,且该控制方式具有极高的定位精度,同时避免了传统驱动方式产生的磨损问题。对于转速和转矩能够做到很好的解耦独立控制,帮助客户更容易地控制尺寸,降低用户后续使用成本。其安装尺寸精度控制:初级线圈与次级磁板的尺寸间隙为1.3,初级线圈与次级磁板安装的平面度为0.1,初级线圈与次级磁板安装面的平行度为0.1,初级线圈与次级磁板中心线平行度为0.2。

xJT系列永磁同步直线电机也满足了高速外圆磨床的高速磨削要求,保证了其在超负荷运转的状态下也能够维持机器运作的平稳。100xJT系列具体参数说明如表1所示,对应的推力一速度特性图如图1所示。

从表1中的具体参数要求和图1中的推力一速度特性我们可以看出,xJT系列永磁同步直线电机的应用,能够全面满足外圆磨床的相关要求,同时还能确保设备的整体工作效率、工作稳定性和控制精度的全面提升。

4结语

永磁同步直线电机在高档数控机床上的应用已呈加速增长态势,其进给驱动方案在性能的许多方面都要优于步进电机驱动方案,然而直线电机直接驱动系统在高档数控机床上的应用存在一些技术问题,需要逐渐完善电机使用及维护等其他配套技术,提高电机的运转能力。