新型电机技术在电主轴行业的应用
摘 要：随着机械加工行业高速、高精、高效加工技术的飞速发展，机床行业对电主轴的要求也越来越高，电机作为电主轴的核心部件，其性能参数直接影响着电主轴的使用效果，所以只有采用新型电机技术，不断提高电主轴电机的性能，才能满足机床行业的快速发展。
关键词：电主轴；新型技术；机床行业；主轴电机
前言
随着国民经济持续、快速、稳定增长，我国机床工具行业已取得了长足的发展与进步，电主轴作为数控机床的核心功能部件，也存在很大提升空间。影响电主轴的两大关键部件，一是主轴轴承，二就是主轴电机。传统主轴电机多采用三相鼠笼式异步电机，但是三相鼠笼式异步电机效率和功率因数低，功率密度小，低速性能差，转子发热大等缺点，已经限制了电主轴技术的发展。为了提高主轴电机的功率、转速，降低电机的发热量，延长主轴寿命，就必须应用新型电机技术。
1 铸铜转子技术
目前电主轴采用的电机绝大多数是三相异步铸铝电机，铸铝电机存在温升高，转子极限线速度低等问题。铜的电阻率比铝小接近40%，所以如果使用铜转子替代铝转子可以明显降低电机温升，提高主轴寿命。另外铜的极限线速度是铝的约1.3倍，采用铜转子同样可以提高主轴极限转速，增大主轴电机功率密度。目前国内外主轴行业，都以高转速、高功率密度为方向，并且国内外很多厂家已经做到了铜转子的批量应用，也取得了很好的效果。表1是铜和铝两种材质的特性对比：
表1
从表1中可以看到铜的电阻率、导热率、强度均高于铝，所以采用铸铜转子在设计合理的情况下，不仅能降低转子发热，提高电机功率密度，延长主轴寿命等优点。为验证铜转子与铝转子相比在电主轴上应用的差异，现对电主轴150MD36Y11更换电机转子，一台采用铜转子，一台采用铝转子，此款电主轴的参数为：额定电压350V，额定转速36000r/min、额定功率11kW。对此两款电主轴的电机温度、轴承温度分别进行了数据记录和对比如下。
通过图1和图2可以看出采用铜转子后，主轴的电机和轴承温度均得到了降低，其中采用铜转子后电机在额定转速下温升下降13℃，前后轴承温度也下降了将近10℃，由此可见采用铜转子后，电主轴温升得到了很大改善，这对电主轴的寿命有很大提升。
2 定子塑封技术
主轴电机通常才用循环水或油冷却，电机的绕组采用绝缘漆真空烘浸，如图3所示：
图3 定子和水套组件图
从图中可以看出定子经过真空浸漆后，在定子线包表面形成一层薄漆膜，由于漆膜很薄，在遇到水汽时很容易击穿，导致电机绝缘破坏，电机烧毁。
最新采用的塑封定子技术，定子线包无需浸漆，直接采用高絕缘、高导热材料灌装，大提升了电机的防护等级，如图4所示：
图4 塑封定子和水套组件图
从图中可以看出定子采用塑封后，定子线包完全包裹，槽内也完全密封，并与水套完全接触，采用封装定子线包具有耐水、耐油、耐震等优点。由于封装材料采用导热材料，导热系数接近1w/mk，而空气的导热系数仅为0.023w/mk，所以封装电机的散热性能也大大提升。进行试验发现，采用定子封装后电机在开水中浸泡的情况下绝缘电阻达到2000MΩ级，防水性能远远超越真空浸漆定子绕组，并且在运转时定子线包温度减低10℃～15℃。
3 非晶材料
目前，定子铁心所用材料主要为传统的硅钢片。由于定子铁心中磁通的变化频率与电机的转速成正比，而单位损耗耗与频率的 1.3～1.5次方成比例，一台60000r/min的电机定子铁心磁场变化频率是3000r/min电机定子铁心频率的20倍，如铁心中的磁通密度相同，高速电机的单位铁耗高速电机总损耗的比例较大。为降低铁心的高频损耗通常采用降低铁芯磁密度或者低损耗材料的方法。
然而降低磁密后往往电机功率密度大大下降，所以采用一种高频低损耗的材料才能在保证主轴电机功率密度的情况下降低高速电机的发热。非晶材料作为一种新兴材料，其与硅钢片相比，具有优异的磁性能，导磁率高于硅钢片，损耗却仅是硅钢片的一半。
铁基非晶合金的高饱和磁感应强度，Bs值1.56T，有效磁导率值明显高于硅钢，高频下的损耗比硅钢显著降低，对于工作频率介于几百至几千Hz的电机，铁基非晶合金优于硅钢。对于电机铁芯而言，若使用铁基非晶合金替代传统的硅钢片，必将产生巨大的经济效益。电机的转速与电机铁芯内的电磁频率f成正比，所以要实现电机的高转速必须提高电机的频率f。电机的功率密度和电机铁芯内的磁通密度值Bm与电磁频率f的乘积成正比，但是受软磁材料饱和磁感应强度Bs的限制，要大幅度提高电机的功率密度也必须提高电机的频率f。
然而，电机定子铁芯的总损耗又与频率的1.3～1.5次方成正比。当电机的工作频率从50Hz提高到500Hz，假设磁通密度Bm不变，电机的铁损不是增加10倍，而是增加200多倍。因此随着频率的升高，硅钢电机铁芯的损耗将变得非常严重，直接导致电机效率显著下降，甚至造成电机的过热损坏。在电机的工作频率范围内，Fe基非晶合金的损耗可降低为硅钢的1/3～1/5，因此使用非晶合金作电机铁芯可显著提高电机效率。在工频或更低频率下，电机铁损占总损耗的比重不大，而且非晶合金的Bs值低于硅钢，所以使用非晶合金替代硅钢意义不大；然而在几百Hz以上电机铁损明显升高，使用非晶合金铁芯对于降低电机铁损和铁芯的温升变得意义重大。Fe基非晶合金除了低损耗的优势外，还具有硅钢几倍的磁导率。所以可以在很大程度上降低电机的励磁电流，进而降低电机的铜损。
此外，在相同的励磁磁场强度下，硅钢铁芯的磁通密度Bm会随着频率的升高而迅速下降，然而非晶合金铁芯的磁通密度Bm随着电磁场频率升高而下降的幅度很小，基本可以忽略不计。可见，在较高的频率下使用非晶铁芯比硅钢铁芯更具优势。