陳長(zhǎng)江，曹琨，俞蓬

(1.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009；2.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

1 高速磨削電主軸特點(diǎn)及分類

高速磨削電主軸作為軸承加工主機(jī)的關(guān)鍵功能部件，現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用，此類主軸具有高轉(zhuǎn)速，高靜、動(dòng)精度，高剛性，磨削過(guò)程節(jié)拍較快，工作負(fù)載較輕，工作轉(zhuǎn)速較為恒定等特點(diǎn)。按照電動(dòng)機(jī)與支承軸承組的相對(duì)位置關(guān)系，大致可分為2種。一種是電動(dòng)機(jī)處于前后2組軸承之間，如圖1所示，常見(jiàn)于內(nèi)圓、外圓、端面磨床的砂輪主軸以及砂輪修整主軸；另一種是電動(dòng)機(jī)懸伸于后軸承組之外，如圖2所示，多用于內(nèi)圓、深孔、端面復(fù)合磨削磨床的砂輪主軸。

圖1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)磨削電主軸結(jié)構(gòu)圖

圖2 電動(dòng)機(jī)后置磨削電主軸結(jié)構(gòu)圖

由于高速磨削電主軸工作轉(zhuǎn)速通常較為恒定(一般為其標(biāo)稱最高轉(zhuǎn)速的80%～90%)，因此其內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)通常設(shè)計(jì)為恒轉(zhuǎn)矩制；而在一些較為特殊的工作場(chǎng)合，例如在內(nèi)、外圓及端面復(fù)合磨削的情況下，也有設(shè)計(jì)成恒功率制的。此類電主軸一般內(nèi)裝兩極異步鼠籠電動(dòng)機(jī)，主要是考慮到工作轉(zhuǎn)速較高(一般都在每分鐘幾萬(wàn)轉(zhuǎn)甚至十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)以上)，采用兩極設(shè)計(jì)可以降低電動(dòng)機(jī)的工作頻率，方便驅(qū)動(dòng)器(變頻器)的配套。由于在磨削過(guò)程中工作負(fù)荷是周期性連續(xù)變化的，電動(dòng)機(jī)對(duì)于負(fù)載有一定的短時(shí)過(guò)載能力，通常可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的1.6倍以上。同時(shí)，由于機(jī)床對(duì)于電主軸外形有一定的要求，因此，此類內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)絕大多數(shù)為液冷電動(dòng)機(jī)，為的是在緊湊的外形尺寸下實(shí)現(xiàn)最大化的轉(zhuǎn)矩輸出性能和高功率密度。

目前電主軸內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)的形式主要有三相異步鼠籠式電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)。其中三相異步鼠籠式電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用較為廣泛；永磁同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用近年來(lái)發(fā)展較快，國(guó)內(nèi)也已有廠家展出實(shí)物并向市場(chǎng)提供產(chǎn)品。對(duì)于高速、大功率磨削，2種電動(dòng)機(jī)形式各有優(yōu)、缺點(diǎn)。異步電動(dòng)機(jī)已經(jīng)十分成熟，綜合成本較低；永磁同步電動(dòng)機(jī)具有低速大扭矩易于實(shí)現(xiàn)、輸出特性好、同等功率參數(shù)下體積小、轉(zhuǎn)子幾乎無(wú)電磁損耗的優(yōu)點(diǎn)，但是鑒于國(guó)內(nèi)相應(yīng)的設(shè)計(jì)、加工制造、裝配工藝、永磁體材料特性及其制造工藝的限制，在實(shí)際應(yīng)用中成本較高，同時(shí)由于與之配套的高頻驅(qū)動(dòng)器較少，目前在工程應(yīng)用中還沒(méi)有大面積推廣。

2 150MD磨削電主軸電磁計(jì)算

利用VB軟件開(kāi)發(fā)的電動(dòng)機(jī)計(jì)算軟件，融合了中小型電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)程序[1]和電主軸電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)上的經(jīng)驗(yàn)。用該軟件對(duì)150MD磨削電主軸進(jìn)行電磁計(jì)算，得出的主要參數(shù)為：該電動(dòng)機(jī)為兩極三相電動(dòng)機(jī)，功率7 kW ，同步轉(zhuǎn)速36 000 r/min，頻率600 Hz，異步轉(zhuǎn)速35 541.4 r/min，轉(zhuǎn)差率0.012 7，電壓350 V ，電流14.32 A，極對(duì)數(shù)1，功率因數(shù)0.905 1，效率0.891 1，過(guò)載能力Tmb=3.9，額定轉(zhuǎn)矩Me=1.88 N·m，定子槽數(shù)Q1=24，轉(zhuǎn)子槽數(shù)Q2=22，定子外徑D1=105 mm，定子內(nèi)徑Di1=58 mm，氣隙g=0.3 mm，轉(zhuǎn)子外徑D2=57.4 mm，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑Di2=30.5 mm，定子鐵芯長(zhǎng)度72 mm，轉(zhuǎn)子鐵芯長(zhǎng)度75 mm，采用D32硒鋼片， 硒鋼片厚度0.35 mm，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條采用開(kāi)口槽鑄純鋁，轉(zhuǎn)子是熱套轉(zhuǎn)子(轉(zhuǎn)軸實(shí)心)，繞組形式為雙層疊繞組星形連接，定子電流密度7.65 A/mm2，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的電流密度6.568 A/mm2，轉(zhuǎn)子端環(huán)的電流密度4.6 A/mm2，滿載氣隙磁通密度0.508 7 T，定子齒部磁通密度1.129 7 T ，轉(zhuǎn)子齒部磁通密度1.197 3 T，定子軛部磁通密度1.027 2 T，轉(zhuǎn)子軛部磁通密度0.892 5 T，電動(dòng)機(jī)磁化電流 4.398 A。

3 電主軸電磁設(shè)計(jì)

基于以上計(jì)算結(jié)果，對(duì)150MD磨削電主軸內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)的電磁進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 氣隙長(zhǎng)度選擇

定、轉(zhuǎn)子間的氣隙長(zhǎng)度對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的性能影響很大。為減小磁化電流，提高功率因數(shù)，氣隙應(yīng)盡量小，但是氣隙長(zhǎng)度不能太小，否則會(huì)引起諧波漏抗增加，電動(dòng)機(jī)的雜散損耗增加，從而降低電動(dòng)機(jī)的效率，加大溫升。同時(shí)，氣隙過(guò)小會(huì)引起最大轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的降低；并且對(duì)加工精度要求較高，制造難度較大；還可能因不同心造成定、轉(zhuǎn)子摩擦和電動(dòng)機(jī)抱軸，嚴(yán)重影響電動(dòng)機(jī)的可靠性。

電動(dòng)機(jī)氣隙分別為0.2，0.3和0.4 mm時(shí)，電動(dòng)機(jī)的空載電流如圖3所示。

由圖3可知，隨著氣隙的增大，空載電流呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。氣隙值越小，電動(dòng)機(jī)的空載電流越小，其電磁性能越優(yōu)良，但是氣隙值越小對(duì)于加工制造的要求就越高，將直接導(dǎo)致成本的上升。因此，綜合電磁性能和加工工藝，150MD電主軸的內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)工作氣隙最終選定為0.3 mm。

圖3 不同氣隙下的電動(dòng)機(jī)空載電流

3.2 定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)配合的選擇

定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)配合選擇不當(dāng)將使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，增加雜散損耗。另外，當(dāng)轉(zhuǎn)子槽數(shù)多于定子槽數(shù)時(shí)，雜散損耗也會(huì)增加。當(dāng)定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)接近時(shí)，由于齒諧波磁通量在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中感應(yīng)的電流較小，諧波轉(zhuǎn)矩也較小，故為了消弱諧波轉(zhuǎn)矩，定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)應(yīng)盡量接近。

采用適當(dāng)?shù)亩ā⑥D(zhuǎn)子槽數(shù)配合也會(huì)減小轉(zhuǎn)子的橫向電流損耗。轉(zhuǎn)子的橫向電流損耗與槽數(shù)配合比之間的關(guān)系為

(1)

式中:Q1，Q2分別為定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)。

由(1)式可知，Pq最小值出現(xiàn)在定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)相同處。結(jié)合電動(dòng)機(jī)的電磁性能，分析認(rèn)為定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)配合比為24/22是較為合適的優(yōu)化方案。

3.3 轉(zhuǎn)子斜槽的選擇

電動(dòng)機(jī)的齒諧波會(huì)嚴(yán)重影響電動(dòng)機(jī)電流波形，使電流波形出現(xiàn)抖動(dòng)，從而使電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲變大。其抖動(dòng)次數(shù)與電動(dòng)機(jī)的齒數(shù)相同。為了抑制電動(dòng)機(jī)的齒諧波對(duì)其輸出電流的不良影響，根據(jù)設(shè)計(jì)原則及經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)子采用扭斜1槽的方法，較好地減小了電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和電磁噪聲，抑制了電動(dòng)機(jī)齒諧波的影響。

3.4 電動(dòng)機(jī)負(fù)載情況分析

150MD型電主軸空載運(yùn)行下突加額定轉(zhuǎn)矩時(shí)電動(dòng)機(jī)的響應(yīng)如圖4所示。

圖4 空載下突加額定轉(zhuǎn)矩時(shí)電動(dòng)機(jī)的速度曲線

由圖4可知，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后空載運(yùn)行時(shí)，其實(shí)際轉(zhuǎn)速非常接近設(shè)計(jì)的同步轉(zhuǎn)速，在150 s輸出軸端突加額定負(fù)載后，實(shí)際轉(zhuǎn)速會(huì)突然下降至35 600 r/min，如果保持額定負(fù)載不變，則此時(shí)電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，由此得知，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率約為0.011(電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的同步轉(zhuǎn)速為36 000 r/min)。這與電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)程序計(jì)算得到的轉(zhuǎn)差率相符。

負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)的磁力線分布如圖5所示。由圖5可知，電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)齒部、軛部磁力線分布較為均勻，鐵芯利用率較高。額定負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通密度如圖6所示。

圖5 負(fù)載情況下電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)分布圖

圖6 額定負(fù)載時(shí)的氣隙磁通密度波形圖

由圖6可知，電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)的高次諧波含量較高，其Fourier分解如圖7所示。

圖7 氣隙磁通密度波形Fourier圖

定、轉(zhuǎn)子齒部磁通密度分別如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可知，150MD主軸電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子齒部磁通密度均在1.5 T以內(nèi)，有效利用了電動(dòng)機(jī)硅鋼片B-H曲線上1.1～1.6 T的線性區(qū)，既滿足了電動(dòng)機(jī)輸出特性的要求，又充分發(fā)揮了硅鋼片的最佳電磁性能。

圖8 額定負(fù)載時(shí)定子齒部磁通密度波形圖

圖9 額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)子齒部磁通密度波形圖

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)150MD型磨削電主軸電磁性能的分析可知，該主軸的電磁設(shè)計(jì)既考慮了電主軸本身的需求，又考慮了實(shí)際加工難度以及成本，屬于較為合理的工程設(shè)計(jì)。同時(shí)，歸納出以下電主軸內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)原則。

(1)要兼顧機(jī)械設(shè)計(jì)和電氣性能的要求，選擇合理的定、轉(zhuǎn)子外型尺寸，保證既滿足高功率密度要求，又滿足高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的需求。

(2)要選擇合適的定、轉(zhuǎn)子氣隙值。氣隙值過(guò)小會(huì)加大機(jī)械加工的難度，而過(guò)大又影響電動(dòng)機(jī)的輸出性能。

(3)要關(guān)注定、轉(zhuǎn)子的槽配合。在電主軸電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，定、轉(zhuǎn)子合理的槽配合可以降低電動(dòng)機(jī)的電磁噪聲以及附加損耗，對(duì)于電動(dòng)機(jī)的溫升也有一定的影響，因此一定要遵守定、轉(zhuǎn)子槽配合選擇規(guī)則。

(4)要關(guān)注定、轉(zhuǎn)子各部位磁通密度。對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行的電主軸，磁通密度不宜過(guò)高，通常在1.1～1.4 T較為合適；對(duì)于非長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的特殊工況，磁通密度值可以高一些，但不宜超過(guò)1.8 T。

(5)要合理控制電動(dòng)機(jī)定子電流密度、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電流密度、轉(zhuǎn)子端環(huán)電流密度。對(duì)于強(qiáng)制冷卻電動(dòng)機(jī)，通常定子電流密度應(yīng)小于13 A/mm2，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電流密度應(yīng)小于7 A/mm2，轉(zhuǎn)子端環(huán)電流密度應(yīng)小于5 A/mm2；對(duì)于風(fēng)冷或者自然冷卻電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，取值大致為上述對(duì)應(yīng)值的1/3～1/2。

(6)在實(shí)際工程中，有定子扭斜槽也有轉(zhuǎn)子扭斜槽，通常電主軸電動(dòng)機(jī)較多采用轉(zhuǎn)子扭斜槽，一般扭斜1槽或0.5槽。斜槽對(duì)于提高電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能以及輸出特性有較大的作用。