本書較系統地介紹了高速數控工具機電主軸工作原理，電主軸的常用控制技術，即恆壓頻比控制、矢量控制及直接轉矩控制的理論。通過仿真技術及實驗數據，詳細分析變頻器控制下電主軸的電磁損耗及電磁振動問題。結合國家自然科學基金及"863"計畫項目的理論研究成果及技術上的最新進展，對比分析了變頻器控制下陶瓷電主軸與金屬電主軸的電磁損耗及電磁振動的區別。將智慧型控制套用於電主軸的直接轉矩控制中，在分析定子電阻對控制系統性能影響的基礎上，介紹了採用智慧型控制技術進行電主軸定子電阻辨識的新方法
基本介紹
- 書名：高速數控工具機電主軸控制技術
- 出版社：科學出版社
- 頁數：293頁
- 開本：B5
- 作者：吳玉厚 張麗秀
- 出版日期：2013年1月1日
- 語種：簡體中文
- 品牌：科學出版社
圖書目錄,文摘,
圖書目錄
前言
第1章 電主軸工作原理
1.1 電主軸概述
1.1.1 電主軸分類
1.1.2 電主軸結構
1.1.3 電主軸電機工作原理
1.1.4 電主軸技術參數
1.1.5 電主軸技術發展趨勢
1.2 電主軸關鍵技術
1.2.1 高速電主軸軸承技術
1.2.2 電主軸電動機及控制技術
1.2.3 電主軸潤滑及冷卻技術
1.2.4 電主軸動平衡技術
1.2.5 電主軸刀具接口技術
1.3 電主軸運行性能
1.3.1 精度和剛度
1.3.2 臨界轉速
1.3.3 殘餘動不平衡值及驗收振動速度值
1.3.4 噪聲與套筒溫升值
1.3.5 拉緊刀具的拉力值和鬆開刀具所需壓力的最小和最大值
1.3.6 使用壽命值
1.3.7 電主軸與刀具接口
1.3.8 其他伺服性能
第2章 電主軸控制系統概述
2.1 電主軸發展現狀
2.1.1 高速電主軸技術發展現狀
2.1.2 電主軸單元運行特性研究現狀
2.2 電主軸驅動系統構成
2.2.1 變頻器外接連線埠
2.2.2 變頻器功能參數
2.3 變頻器主要功能
2.3.1 頻率給定功能
2.3.2 運行控制功能
2.3.3 變頻器控制方式及選擇功能
2.3.4 制動控制功能
第3章 脈寬調製技術
3.1 脈寬調製逆變原理
3.1.1 脈寬調製原理
3.1.2 脈寬調製逆變電路
3.2 三角載波脈寬調製
3.2.1 脈寬調製
3.2.2 脈寬調製方式
3.3 電流跟蹤脈寬調製
3.4 磁通跟蹤脈寬調製
3.4.1 電壓空間矢量
3.4.2 電壓空間矢量與磁通軌跡
3.4.3 磁通跟蹤脈寬調製
第4章 電主軸控制技術
4.1 電主軸恆壓頻比控制技術
4.1.1 電主軸控制方式與特性分析
4.1.2 電主軸電壓-頻率控制機械特性
4.1.3 電主軸恆壓頻比控制建模及仿真分析
4.2 電主軸矢量控制技術
4.2.1 坐標變換
4.2.2 電主軸動態數學模型
4.2.3 電主軸矢量控制
4.2.4 無速度感測器矢量控制系統建模與仿真分析
4.2.5 高速永磁電主軸矢量控制
4.3 電主軸直接轉矩控制技術
4.3.1 電主軸直接轉矩控制原理
4.3.2 逆變器數學模型與空間電壓矢量
4.3.3 電主軸直接轉矩控制系統模型
4.3.4 電主軸直接轉矩控制系統仿真及結果分析
4.3.5 永磁同步電主軸直接轉矩控制
4.4 直接轉矩控制與矢量控制的內在聯繫與區別
4.4.1 直接轉矩控制與矢量控制的內在聯繫
4.4.2 直接轉矩控制與矢量控制的區別
第5章 電主軸智慧型控制技術與套用
5.1 概述
5.1.1 電主軸控制的難點問題
5.1.2 基於智慧型控制的電主軸驅動技術
5.2 模糊控制技術在電主軸控制中的套用
5.2.1 基本模糊調節器
5.2.2 模糊神經網路(FNN)調節器
5.2.3 模糊神經網路控制器
5.3 人工智慧技術辨識電主軸參數
5.3.1 定子電阻對直接轉矩控制性能的影響
5.3.2 定子電阻特性分析
5.3.3 基於RBF神經網路定子電阻辨識
5.3.4 定子電阻混合智慧型辨識方法
5.3.5 定子電阻混合智慧型辨識仿真試驗
5.3.6 定子電阻辨識直接轉矩控制系統仿真驗證
第6章 變頻器控制下電主軸損耗特性
6.1 電主軸損耗理論基礎
6.1.1 電主軸損耗分類
6.1.2 電主軸基本鐵耗
6.1.3 空載時鐵芯中的附加損耗
6.1.4 電氣損耗
6.1.5 負載時的附加損耗
6.1.6 機械損耗
6.2 變頻器控制下電主軸損耗特性有限元分析
6.2.1 非正弦供電對電主軸損耗的影響
6.2.2 非正弦供電對電主軸損耗影響有限元分析
6.3 載荷對電主軸損耗影響分析
6.3.1 載荷對電主軸損耗影響的仿真分析
6.3.2 連線式電主軸自動載入試驗裝置及檢測效果
6.3.3 載荷對電主軸損耗影響試驗研究
6.4 電主軸溫度特性
第7章 變頻器控制下電主軸振動特性
7.1 概述
7.2 電主軸電磁振動機理
7.2.1 電主軸空間諧波
7.2.2 電主軸時間諧波
7.2.3 電主軸三相合成磁勢
7.2.4 諧波對電磁力的影響
7.3 電主軸電磁力分析及計算方法
7.3.1 電磁場計算解析法
7.3.2 電磁場計算有限元法
7.4 變頻器控制模式對電磁振動的影響
7.4.1 變頻器控制模式對電磁振動影響的仿真分析
7.4.2 變頻器控制模式對電磁振動影響的試驗研究
7.5 載荷對電磁振動的影響
7.5.1 載荷對電磁振動影響的仿真分析
7.5.2 載荷對電磁振動影響的試驗研究
7.6 轉軸材料對電磁振動的影響
7.6.1 轉軸材料對電磁振動影響的仿真分析
7.6.2 轉軸材料對電磁振動影響的試驗研究
第8章 變頻器控制下陶瓷電主軸運行特性
8.1 陶瓷電主軸損耗特性
8.1.1 陶瓷電主軸與金屬電主軸損耗對比
8.1.2 載荷對陶瓷電主軸損耗的影響
8.1.3 變頻器載波比對陶瓷電主軸損耗的影響
8.2 陶瓷電主軸振動特性
8.2.1 V/F控制下陶瓷電主軸振動性能試驗
8.2.2 氣隙對電磁振動影響的仿真分析
8.3 陶瓷電主軸抵抗單邊磁拉力的能力分析
8.3.1 氣隙偏心對陶瓷電主軸轉子系統的影響
8.3.2 偏心條件下定子電流變化對單邊磁拉力的影響
8.3.3 單邊磁拉力作用下電主軸轉軸位移有限元分析
參考文獻
第1章 電主軸工作原理
1.1 電主軸概述
1.1.1 電主軸分類
1.1.2 電主軸結構
1.1.3 電主軸電機工作原理
1.1.4 電主軸技術參數
1.1.5 電主軸技術發展趨勢
1.2 電主軸關鍵技術
1.2.1 高速電主軸軸承技術
1.2.2 電主軸電動機及控制技術
1.2.3 電主軸潤滑及冷卻技術
1.2.4 電主軸動平衡技術
1.2.5 電主軸刀具接口技術
1.3 電主軸運行性能
1.3.1 精度和剛度
1.3.2 臨界轉速
1.3.3 殘餘動不平衡值及驗收振動速度值
1.3.4 噪聲與套筒溫升值
1.3.5 拉緊刀具的拉力值和鬆開刀具所需壓力的最小和最大值
1.3.6 使用壽命值
1.3.7 電主軸與刀具接口
1.3.8 其他伺服性能
第2章 電主軸控制系統概述
2.1 電主軸發展現狀
2.1.1 高速電主軸技術發展現狀
2.1.2 電主軸單元運行特性研究現狀
2.2 電主軸驅動系統構成
2.2.1 變頻器外接連線埠
2.2.2 變頻器功能參數
2.3 變頻器主要功能
2.3.1 頻率給定功能
2.3.2 運行控制功能
2.3.3 變頻器控制方式及選擇功能
2.3.4 制動控制功能
第3章 脈寬調製技術
3.1 脈寬調製逆變原理
3.1.1 脈寬調製原理
3.1.2 脈寬調製逆變電路
3.2 三角載波脈寬調製
3.2.1 脈寬調製
3.2.2 脈寬調製方式
3.3 電流跟蹤脈寬調製
3.4 磁通跟蹤脈寬調製
3.4.1 電壓空間矢量
3.4.2 電壓空間矢量與磁通軌跡
3.4.3 磁通跟蹤脈寬調製
第4章 電主軸控制技術
4.1 電主軸恆壓頻比控制技術
4.1.1 電主軸控制方式與特性分析
4.1.2 電主軸電壓-頻率控制機械特性
4.1.3 電主軸恆壓頻比控制建模及仿真分析
4.2 電主軸矢量控制技術
4.2.1 坐標變換
4.2.2 電主軸動態數學模型
4.2.3 電主軸矢量控制
4.2.4 無速度感測器矢量控制系統建模與仿真分析
4.2.5 高速永磁電主軸矢量控制
4.3 電主軸直接轉矩控制技術
4.3.1 電主軸直接轉矩控制原理
4.3.2 逆變器數學模型與空間電壓矢量
4.3.3 電主軸直接轉矩控制系統模型
4.3.4 電主軸直接轉矩控制系統仿真及結果分析
4.3.5 永磁同步電主軸直接轉矩控制
4.4 直接轉矩控制與矢量控制的內在聯繫與區別
4.4.1 直接轉矩控制與矢量控制的內在聯繫
4.4.2 直接轉矩控制與矢量控制的區別
第5章 電主軸智慧型控制技術與套用
5.1 概述
5.1.1 電主軸控制的難點問題
5.1.2 基於智慧型控制的電主軸驅動技術
5.2 模糊控制技術在電主軸控制中的套用
5.2.1 基本模糊調節器
5.2.2 模糊神經網路(FNN)調節器
5.2.3 模糊神經網路控制器
5.3 人工智慧技術辨識電主軸參數
5.3.1 定子電阻對直接轉矩控制性能的影響
5.3.2 定子電阻特性分析
5.3.3 基於RBF神經網路定子電阻辨識
5.3.4 定子電阻混合智慧型辨識方法
5.3.5 定子電阻混合智慧型辨識仿真試驗
5.3.6 定子電阻辨識直接轉矩控制系統仿真驗證
第6章 變頻器控制下電主軸損耗特性
6.1 電主軸損耗理論基礎
6.1.1 電主軸損耗分類
6.1.2 電主軸基本鐵耗
6.1.3 空載時鐵芯中的附加損耗
6.1.4 電氣損耗
6.1.5 負載時的附加損耗
6.1.6 機械損耗
6.2 變頻器控制下電主軸損耗特性有限元分析
6.2.1 非正弦供電對電主軸損耗的影響
6.2.2 非正弦供電對電主軸損耗影響有限元分析
6.3 載荷對電主軸損耗影響分析
6.3.1 載荷對電主軸損耗影響的仿真分析
6.3.2 連線式電主軸自動載入試驗裝置及檢測效果
6.3.3 載荷對電主軸損耗影響試驗研究
6.4 電主軸溫度特性
第7章 變頻器控制下電主軸振動特性
7.1 概述
7.2 電主軸電磁振動機理
7.2.1 電主軸空間諧波
7.2.2 電主軸時間諧波
7.2.3 電主軸三相合成磁勢
7.2.4 諧波對電磁力的影響
7.3 電主軸電磁力分析及計算方法
7.3.1 電磁場計算解析法
7.3.2 電磁場計算有限元法
7.4 變頻器控制模式對電磁振動的影響
7.4.1 變頻器控制模式對電磁振動影響的仿真分析
7.4.2 變頻器控制模式對電磁振動影響的試驗研究
7.5 載荷對電磁振動的影響
7.5.1 載荷對電磁振動影響的仿真分析
7.5.2 載荷對電磁振動影響的試驗研究
7.6 轉軸材料對電磁振動的影響
7.6.1 轉軸材料對電磁振動影響的仿真分析
7.6.2 轉軸材料對電磁振動影響的試驗研究
第8章 變頻器控制下陶瓷電主軸運行特性
8.1 陶瓷電主軸損耗特性
8.1.1 陶瓷電主軸與金屬電主軸損耗對比
8.1.2 載荷對陶瓷電主軸損耗的影響
8.1.3 變頻器載波比對陶瓷電主軸損耗的影響
8.2 陶瓷電主軸振動特性
8.2.1 V/F控制下陶瓷電主軸振動性能試驗
8.2.2 氣隙對電磁振動影響的仿真分析
8.3 陶瓷電主軸抵抗單邊磁拉力的能力分析
8.3.1 氣隙偏心對陶瓷電主軸轉子系統的影響
8.3.2 偏心條件下定子電流變化對單邊磁拉力的影響
8.3.3 單邊磁拉力作用下電主軸轉軸位移有限元分析
參考文獻
文摘
第1章 電主軸工作原理
高速加工技術可以解決機械產品製造中的諸多難題，如獲得特殊的加工精度和表面質量，這項技術在各類裝備製造業中得到越來越廣泛的套用，從而使得高速數控工具機成為裝備製造業的戰略性產業。高性能主軸系統是高速數控工具機的核心功能部件之一，對工具機的加工效率及零件的加工精度有著極其重要的影響。本章主要介紹電主軸的分類、結構及工作原理，並在此基礎上分析電主軸的關鍵技術及運行性能。
1.1 電主軸概述
隨著變頻調速技術（電動機矢量控制技術、直接轉矩控制技術等）的迅速發展和日趨完善，高速數控工具機主傳動的機械結構已經得到極大的簡化，取消了帶輪傳動和齒輪傳動。工具機主軸由內裝式電動機直接驅動，從而把工具機主傳動鏈的長度縮短為零，實現了工具機的“零傳動”。這種主軸電動機與工具機主軸“合二為一”的傳動結構形式，使主軸部件從工具機的傳動系統和整體結構中相對獨立出來，因此成為“主軸單元”，俗稱“電主軸”[1] 。電主軸在英文中有多種稱謂，如electricspindle、motorspindle、motorizedspindle、highfrequencyspindle以及directdrivespindle等。電主軸與傳統的主軸傳動系統相比，具有結構緊湊、簡單的特點，便於在多軸聯動工具機上套用。
1.1.1 電主軸分類
高速電主軸單元是高速加工工具機的核心部件。高速電主軸單元的類型通常按支承軸承型式、潤滑方式、冷卻方式、套用領域及電動機類型進行分類。具體分類見表1.1。
表1.1 電主軸分類
分類方法
支承軸承型式
潤滑方式冷卻方式套用領域電動機類型
種 類
滾動軸承、磁懸浮軸承、流體動（靜）壓軸承
油脂、油霧、油氣水冷、風冷、自冷車削、銑削、磨削、鑽削、旋輾、離心等交流異步型電動機、永磁同步型電動機
1.磨削用電主軸
磨削用電主軸是目前國內最主要的電主軸類型，也是國內外最早研發套用的類型，磨削用電主軸主要套用於高速磨削以提高磨削線速度和表面質量為目的，需要具有高速度、高精度和輸出功率大的特點，如軸承磨床、各種內圓磨床、外圓磨床等。
2.車削用電主軸
車削用電主軸可獲得良好的加工精度和表面質量，特別適用於鋁、銅等有色金屬零件的加工。車削加工中心所使用的電主軸應該具備兩方面的性能，一方面要能夠傳遞運動及扭矩，並具有在帶動工件旋轉的同時直接承受切削力的能力；另一方面，電主軸要在一定載荷和轉速下保證工件精確而穩定地繞其軸線作迴轉運動，並在動態和熱態的條件下，仍能保持這一性能。因此，車削加工中心所使用的電主軸應具備如下特徵：
（1）高迴轉精度。車削加工中心電主軸作為裝夾工件的基準，將運動傳遞給工件，因此其迴轉精度直接影響加工精度。為了使電主軸在高速運轉時獲得較高的迴轉精度，除了要保證其關鍵零件必須進行精加工和超精加工外，還要選用尺寸和精度等級合適的軸承，並採用合理的裝配方案。
（2）高剛度。主軸剛度反映主軸單元抵抗外載荷的能力。為了保證加工精度、避免振動，要求電主軸具備較高的徑向剛度及軸向剛度。特別是在粗加工時，切削量較大，主軸要承受很大的徑向力，因此對軸向剛度的要求更高。
（3）抗振性強。振動是主軸動態性能的重要指標，振動將會產生噪聲，並直接影響工件的表面加工質量，振動嚴重時會產生崩刃打刀現象。工具機工作時，主軸部件不僅受靜態力的作用，同時還受其他衝擊力和交變干擾力的作用而產生振動。因此，電主軸的抗振性要強。
（4）電動機特性優良。車削加工中心因為既要實現粗加工，又要實現精加工，因此要求有較廣的加工範圍，這就要求電主軸既要有優良的低速加工性能，又要有很好的高速加工性能。因此，加工中心電主軸需要在起步及低速段採用恆轉矩調速，保證低速時有較大的輸出轉矩，滿足低速大進給的切削要求；而高速段採用恆功率調速，可以滿足小切削量的高轉速要求。對一些低速性能要求高的電主軸，應採用高性能的矢量變頻器控制。
（5）熱特性穩定。由於電主軸是將高速電動機置於工具機主軸部件內部，高速運轉時，電動機定子、轉子和軸承的發熱量很大，從而引起熱變形，直接影響工具機的工作性能和加工精度，因此要求加工中心電主軸的熱態性能穩定。
3.銑削用電主軸
銑削用電主軸與數控銑、雕銑機及加工中心相配套，進行高速銑削和雕刻加工，適用於常規零件、工模具、木工件加工。銑削用電主軸有自動換刀和手動換刀兩種，自動換刀主軸帶有自動松拉刀系統，刀具更換方便快捷；手動換刀主軸結構簡單，經濟實惠、適合不需頻繁換刀的工具機。雕銑用電主軸轉速偏高，一般在24000r/min以上，通常選用ER彈簧卡頭來夾持刀具，其電動機輸出可分為恆功率和恆轉矩兩種，市場占有率為70%～80%。大型數控銑削用電主軸由於不設刀庫，無需換刀，因此可選用開環控制。加工中心用電主軸通常採用閉環編碼控制，若需實現低速大扭矩輸出，在選擇電主軸型號時，需要提供電主軸轉速範圍及恆功率段起點轉速並且要有準停功能。電主軸潤滑系統通常選用高速油脂潤滑或油氣潤滑以減少油霧對環境的污染。
4.鑽削用電主軸
鑽削用電主軸主要是指PCB板高速孔化所使用的電主軸，常規速度等級分60000r/min、80000r/min、90000r/min、105000r/min、120000r/min、180000r/min六種。前三種為油脂潤滑型滾動軸承支承的電主軸，其加工範圍為孔徑0.2～0.7mm；後三種為空氣靜壓軸承支承的電主軸，可用來鑽削孔徑為0.1～0.15mm的小孔。
5.其他電主軸
高速離心機用電主軸廣泛用於分離、粉碎、霧化、試驗等高速離心領域。高速旋�用電主軸用於加工空調設備的內螺紋銅管。特殊用途的電主軸主要用於驅動、試驗、切割等。
1.1.2 電主軸結構
電主軸的剖面圖如圖1.1所示，圖中表明，電主軸由定子、轉子、前蓋、後蓋、轉軸、前端軸承、後端軸承、軸承預緊、水套及殼體組成。電主軸的定子是由具備高磁導率的優質矽鋼片迭壓而成，迭壓成型的定子內腔帶有沖制嵌線槽。轉子通常由轉軸、轉子鐵芯及鼠籠組成。轉子與定子之間存在一定間隙，稱為氣隙，它是磁場能量轉換的通路，用於實現將定子的電磁力場能量轉換成機械能。電主軸的轉子用熱套的方法安裝在轉軸上，處於前後軸承之間，由熱套後產生的摩擦力來實現大轉矩的傳遞。由於轉子內孔與轉軸配合面之間有很大的過盈量，因此，在裝配時必須在油浴中將轉子加熱到200℃左右，迅速進行熱壓裝配。電動機的定子通過冷卻套（一般為水冷）固裝在電主軸的殼體中。這樣，電動機的轉子就是工具機的主軸，電主軸的套筒就是電動機座。對於加工中心用電主軸，在主軸的後部安裝有齒盤，作為電感式編碼器，以實現電主軸的全閉環控制。一般情況下，電主軸前端外伸部分，依靠內錐孔和端面固定砂輪接桿或可換的刀柄。
圖1.1 加工中心電主軸剖面①
電主軸是一種智慧型型功能部件，不但轉速高、功率大，還具有控制主軸溫升與振動等工具機運行參數的功能，因此是承載高速切削技術的主體之一。在高速加工時，採用電主軸實現刀具/工件的精密運動並傳遞金屬切削所需的能量是最佳的選擇。其原因主要包括以下幾點：
（1）傳統的主軸系統通過帶輪或齒輪傳動方式傳遞電動機的運動及轉矩，由於齒輪及帶輪不可避免地存在製造及安裝誤差，在高速運轉條件下產生的振動和噪聲等問題很難解決，影響高速加工的精度、加工表面粗糙度，並導致環境質量的惡化。電主軸系統採用內置電機與主軸合二為一的方式，實現了真正意義上的零傳動，並在相對意義上解決了高速運行條件下機械零件導致的噪聲及振動問題。
（2）高速加工的最終目的是為了提高生產率，相應地要求在最短時間內實現高轉速的速度變化，即要求主軸迴轉時具有極大的角加速度和減速度。達到這一要求的最有效的方法是將主軸傳動系統的轉動慣量儘可能地減至最小。而將電動機內置，省掉齒輪、帶輪等一系列中間環節，可以達到這一目的。
（3）對於電主軸來說，將電動機內置於主軸兩支承之間，與傳統的機械主軸結構相比，可以較大地提高主軸系統的剛度，從而提高系統的固有頻率和臨界轉速值。這樣，電主軸即使在最高轉速運轉時，仍然可以保證工作速度低於其臨界轉速，從而避免了高速迴轉時的共振。
（4）電主軸由於沒有中間傳動環節的外力作用，主軸高速運行時避免了中間傳動衝擊從而更為平穩，使得主軸軸承壽命相應地得到延長。
1.1.3 電主軸電機工作原理
1.三相異步電主軸工作原理
三相異步電主軸的定子通入三相對稱電流，電主軸內部形成圓形旋轉磁通、圓形旋轉磁通密度，合成磁場隨著電流的交變而在空間不斷旋轉，即產生基波旋轉磁場，圖1.2為不同時刻電主軸內部磁場仿真圖。從圖中可以看出，電主軸內部磁場為圓形，旋轉磁通密度方向為逆時針旋轉，若轉子不轉，轉子鼠籠導條與旋轉磁通密度相對運動，導條中產生感應電動勢，其方向由右手定則確定。旋轉磁場的轉速為
ns = 60 nfsp （1.1）
式中，np為電動機的極對數；fs為電源頻率，Hz；ns為旋轉磁場的轉速（也稱同步轉速），r/min。
圖1.2 旋轉磁場仿真圖
轉子導條彼此在端部短路，導條中產生電流i，不考慮電動勢與電流的相位差，該電流方向與電動勢一致，導條在旋轉磁場中所受電磁力為F，產生電磁轉矩T，轉子迴路切割磁力線，其轉動方向與旋轉磁通勢一致，並使轉子沿該方向旋轉。假設轉子轉速為nr當nr<ns時，表明轉子導條與磁場存在相對運動，產生的電動勢、電流及受力方向與，轉子不轉時相同，電磁轉矩T為逆時針方向，轉子繼續旋轉，並穩定運行。當轉子的轉速等於同步轉速ns時，轉子與旋轉磁場之間無相對運動，轉子導條不切割旋轉磁場，轉子無感應電動勢，無轉子電流和電磁轉矩，轉子將無法繼續轉動。因此，異步電主軸的轉子轉速往往小於電源的同步轉速[2] 。
轉子轉速nr與同步轉速ns之間的差異定義為轉差率s，即
s = ns n-s nr （1.2）
式中，nr為轉子轉速，r/min；ns為同步轉速，r/min。
由式（1.2）可知，轉差率越小，表明轉子轉速越接近同步轉速，電主軸效率越高。
1） 定子電壓方程
由前述可知，三相異步感應電主軸中的旋轉磁場是由定子電流和轉子電流共同產生的。圖1.3為三相異步電主軸定子、轉子電路。其中圖1.3（a）為定子電
路，圖1.3（b）為轉子電路，Us、Es、si分別是定子的相電壓、相電動勢和相電流，Us 、
Es、is分別是轉子繞組的相電壓、相電動勢和相電流，圖中箭頭的指向為各量的正方向。
圖1.3 三相異步電主軸定子、轉子電路
圖1.3表明，以同步轉速旋轉的氣隙旋轉磁場，將在定子三相繞組內感應對稱的三相電動勢Es。根據基爾霍夫定律，定子每相所加的電源電壓Us，應當等於該
電動勢的負值-Es加上定子電流所產生的漏阻抗壓降is（Rs+jXsσ）。於是，定子的電壓方程為
Us=is（Rs+jXsσ）-Es（1.3）
式中，Rs為定子每相的電阻，Ω；Xsσ為定子每相的漏抗，Ω；Es為勵磁電流im在勵
磁阻抗上Zm的壓降，即Es=-mi Zm ，V 。
2） 轉子電壓方程
對於三相異步電主軸，氣隙主磁場除在定子繞組內感生頻率為fs的電動勢
Es外，還將在旋轉的轉子繞組內感生轉差頻率fr=sfs的電動勢Ers，Ers的有效
高速加工技術可以解決機械產品製造中的諸多難題，如獲得特殊的加工精度和表面質量，這項技術在各類裝備製造業中得到越來越廣泛的套用，從而使得高速數控工具機成為裝備製造業的戰略性產業。高性能主軸系統是高速數控工具機的核心功能部件之一，對工具機的加工效率及零件的加工精度有著極其重要的影響。本章主要介紹電主軸的分類、結構及工作原理，並在此基礎上分析電主軸的關鍵技術及運行性能。
1.1 電主軸概述
隨著變頻調速技術（電動機矢量控制技術、直接轉矩控制技術等）的迅速發展和日趨完善，高速數控工具機主傳動的機械結構已經得到極大的簡化，取消了帶輪傳動和齒輪傳動。工具機主軸由內裝式電動機直接驅動，從而把工具機主傳動鏈的長度縮短為零，實現了工具機的“零傳動”。這種主軸電動機與工具機主軸“合二為一”的傳動結構形式，使主軸部件從工具機的傳動系統和整體結構中相對獨立出來，因此成為“主軸單元”，俗稱“電主軸”[1] 。電主軸在英文中有多種稱謂，如electricspindle、motorspindle、motorizedspindle、highfrequencyspindle以及directdrivespindle等。電主軸與傳統的主軸傳動系統相比，具有結構緊湊、簡單的特點，便於在多軸聯動工具機上套用。
1.1.1 電主軸分類
高速電主軸單元是高速加工工具機的核心部件。高速電主軸單元的類型通常按支承軸承型式、潤滑方式、冷卻方式、套用領域及電動機類型進行分類。具體分類見表1.1。
表1.1 電主軸分類
分類方法
支承軸承型式
潤滑方式冷卻方式套用領域電動機類型
種 類
滾動軸承、磁懸浮軸承、流體動（靜）壓軸承
油脂、油霧、油氣水冷、風冷、自冷車削、銑削、磨削、鑽削、旋輾、離心等交流異步型電動機、永磁同步型電動機
1.磨削用電主軸
磨削用電主軸是目前國內最主要的電主軸類型，也是國內外最早研發套用的類型，磨削用電主軸主要套用於高速磨削以提高磨削線速度和表面質量為目的，需要具有高速度、高精度和輸出功率大的特點，如軸承磨床、各種內圓磨床、外圓磨床等。
2.車削用電主軸
車削用電主軸可獲得良好的加工精度和表面質量，特別適用於鋁、銅等有色金屬零件的加工。車削加工中心所使用的電主軸應該具備兩方面的性能，一方面要能夠傳遞運動及扭矩，並具有在帶動工件旋轉的同時直接承受切削力的能力；另一方面，電主軸要在一定載荷和轉速下保證工件精確而穩定地繞其軸線作迴轉運動，並在動態和熱態的條件下，仍能保持這一性能。因此，車削加工中心所使用的電主軸應具備如下特徵：
（1）高迴轉精度。車削加工中心電主軸作為裝夾工件的基準，將運動傳遞給工件，因此其迴轉精度直接影響加工精度。為了使電主軸在高速運轉時獲得較高的迴轉精度，除了要保證其關鍵零件必須進行精加工和超精加工外，還要選用尺寸和精度等級合適的軸承，並採用合理的裝配方案。
（2）高剛度。主軸剛度反映主軸單元抵抗外載荷的能力。為了保證加工精度、避免振動，要求電主軸具備較高的徑向剛度及軸向剛度。特別是在粗加工時，切削量較大，主軸要承受很大的徑向力，因此對軸向剛度的要求更高。
（3）抗振性強。振動是主軸動態性能的重要指標，振動將會產生噪聲，並直接影響工件的表面加工質量，振動嚴重時會產生崩刃打刀現象。工具機工作時，主軸部件不僅受靜態力的作用，同時還受其他衝擊力和交變干擾力的作用而產生振動。因此，電主軸的抗振性要強。
（4）電動機特性優良。車削加工中心因為既要實現粗加工，又要實現精加工，因此要求有較廣的加工範圍，這就要求電主軸既要有優良的低速加工性能，又要有很好的高速加工性能。因此，加工中心電主軸需要在起步及低速段採用恆轉矩調速，保證低速時有較大的輸出轉矩，滿足低速大進給的切削要求；而高速段採用恆功率調速，可以滿足小切削量的高轉速要求。對一些低速性能要求高的電主軸，應採用高性能的矢量變頻器控制。
（5）熱特性穩定。由於電主軸是將高速電動機置於工具機主軸部件內部，高速運轉時，電動機定子、轉子和軸承的發熱量很大，從而引起熱變形，直接影響工具機的工作性能和加工精度，因此要求加工中心電主軸的熱態性能穩定。
3.銑削用電主軸
銑削用電主軸與數控銑、雕銑機及加工中心相配套，進行高速銑削和雕刻加工，適用於常規零件、工模具、木工件加工。銑削用電主軸有自動換刀和手動換刀兩種，自動換刀主軸帶有自動松拉刀系統，刀具更換方便快捷；手動換刀主軸結構簡單，經濟實惠、適合不需頻繁換刀的工具機。雕銑用電主軸轉速偏高，一般在24000r/min以上，通常選用ER彈簧卡頭來夾持刀具，其電動機輸出可分為恆功率和恆轉矩兩種，市場占有率為70%～80%。大型數控銑削用電主軸由於不設刀庫，無需換刀，因此可選用開環控制。加工中心用電主軸通常採用閉環編碼控制，若需實現低速大扭矩輸出，在選擇電主軸型號時，需要提供電主軸轉速範圍及恆功率段起點轉速並且要有準停功能。電主軸潤滑系統通常選用高速油脂潤滑或油氣潤滑以減少油霧對環境的污染。
4.鑽削用電主軸
鑽削用電主軸主要是指PCB板高速孔化所使用的電主軸，常規速度等級分60000r/min、80000r/min、90000r/min、105000r/min、120000r/min、180000r/min六種。前三種為油脂潤滑型滾動軸承支承的電主軸，其加工範圍為孔徑0.2～0.7mm；後三種為空氣靜壓軸承支承的電主軸，可用來鑽削孔徑為0.1～0.15mm的小孔。
5.其他電主軸
高速離心機用電主軸廣泛用於分離、粉碎、霧化、試驗等高速離心領域。高速旋�用電主軸用於加工空調設備的內螺紋銅管。特殊用途的電主軸主要用於驅動、試驗、切割等。
1.1.2 電主軸結構
電主軸的剖面圖如圖1.1所示，圖中表明，電主軸由定子、轉子、前蓋、後蓋、轉軸、前端軸承、後端軸承、軸承預緊、水套及殼體組成。電主軸的定子是由具備高磁導率的優質矽鋼片迭壓而成，迭壓成型的定子內腔帶有沖制嵌線槽。轉子通常由轉軸、轉子鐵芯及鼠籠組成。轉子與定子之間存在一定間隙，稱為氣隙，它是磁場能量轉換的通路，用於實現將定子的電磁力場能量轉換成機械能。電主軸的轉子用熱套的方法安裝在轉軸上，處於前後軸承之間，由熱套後產生的摩擦力來實現大轉矩的傳遞。由於轉子內孔與轉軸配合面之間有很大的過盈量，因此，在裝配時必須在油浴中將轉子加熱到200℃左右，迅速進行熱壓裝配。電動機的定子通過冷卻套（一般為水冷）固裝在電主軸的殼體中。這樣，電動機的轉子就是工具機的主軸，電主軸的套筒就是電動機座。對於加工中心用電主軸，在主軸的後部安裝有齒盤，作為電感式編碼器，以實現電主軸的全閉環控制。一般情況下，電主軸前端外伸部分，依靠內錐孔和端面固定砂輪接桿或可換的刀柄。
圖1.1 加工中心電主軸剖面①
電主軸是一種智慧型型功能部件，不但轉速高、功率大，還具有控制主軸溫升與振動等工具機運行參數的功能，因此是承載高速切削技術的主體之一。在高速加工時，採用電主軸實現刀具/工件的精密運動並傳遞金屬切削所需的能量是最佳的選擇。其原因主要包括以下幾點：
（1）傳統的主軸系統通過帶輪或齒輪傳動方式傳遞電動機的運動及轉矩，由於齒輪及帶輪不可避免地存在製造及安裝誤差，在高速運轉條件下產生的振動和噪聲等問題很難解決，影響高速加工的精度、加工表面粗糙度，並導致環境質量的惡化。電主軸系統採用內置電機與主軸合二為一的方式，實現了真正意義上的零傳動，並在相對意義上解決了高速運行條件下機械零件導致的噪聲及振動問題。
（2）高速加工的最終目的是為了提高生產率，相應地要求在最短時間內實現高轉速的速度變化，即要求主軸迴轉時具有極大的角加速度和減速度。達到這一要求的最有效的方法是將主軸傳動系統的轉動慣量儘可能地減至最小。而將電動機內置，省掉齒輪、帶輪等一系列中間環節，可以達到這一目的。
（3）對於電主軸來說，將電動機內置於主軸兩支承之間，與傳統的機械主軸結構相比，可以較大地提高主軸系統的剛度，從而提高系統的固有頻率和臨界轉速值。這樣，電主軸即使在最高轉速運轉時，仍然可以保證工作速度低於其臨界轉速，從而避免了高速迴轉時的共振。
（4）電主軸由於沒有中間傳動環節的外力作用，主軸高速運行時避免了中間傳動衝擊從而更為平穩，使得主軸軸承壽命相應地得到延長。
1.1.3 電主軸電機工作原理
1.三相異步電主軸工作原理
三相異步電主軸的定子通入三相對稱電流，電主軸內部形成圓形旋轉磁通、圓形旋轉磁通密度，合成磁場隨著電流的交變而在空間不斷旋轉，即產生基波旋轉磁場，圖1.2為不同時刻電主軸內部磁場仿真圖。從圖中可以看出，電主軸內部磁場為圓形，旋轉磁通密度方向為逆時針旋轉，若轉子不轉，轉子鼠籠導條與旋轉磁通密度相對運動，導條中產生感應電動勢，其方向由右手定則確定。旋轉磁場的轉速為
ns = 60 nfsp （1.1）
式中，np為電動機的極對數；fs為電源頻率，Hz；ns為旋轉磁場的轉速（也稱同步轉速），r/min。
圖1.2 旋轉磁場仿真圖
轉子導條彼此在端部短路，導條中產生電流i，不考慮電動勢與電流的相位差，該電流方向與電動勢一致，導條在旋轉磁場中所受電磁力為F，產生電磁轉矩T，轉子迴路切割磁力線，其轉動方向與旋轉磁通勢一致，並使轉子沿該方向旋轉。假設轉子轉速為nr當nr<ns時，表明轉子導條與磁場存在相對運動，產生的電動勢、電流及受力方向與，轉子不轉時相同，電磁轉矩T為逆時針方向，轉子繼續旋轉，並穩定運行。當轉子的轉速等於同步轉速ns時，轉子與旋轉磁場之間無相對運動，轉子導條不切割旋轉磁場，轉子無感應電動勢，無轉子電流和電磁轉矩，轉子將無法繼續轉動。因此，異步電主軸的轉子轉速往往小於電源的同步轉速[2] 。
轉子轉速nr與同步轉速ns之間的差異定義為轉差率s，即
s = ns n-s nr （1.2）
式中，nr為轉子轉速，r/min；ns為同步轉速，r/min。
由式（1.2）可知，轉差率越小，表明轉子轉速越接近同步轉速，電主軸效率越高。
1） 定子電壓方程
由前述可知，三相異步感應電主軸中的旋轉磁場是由定子電流和轉子電流共同產生的。圖1.3為三相異步電主軸定子、轉子電路。其中圖1.3（a）為定子電
路，圖1.3（b）為轉子電路，Us、Es、si分別是定子的相電壓、相電動勢和相電流，Us 、
Es、is分別是轉子繞組的相電壓、相電動勢和相電流，圖中箭頭的指向為各量的正方向。
圖1.3 三相異步電主軸定子、轉子電路
圖1.3表明，以同步轉速旋轉的氣隙旋轉磁場，將在定子三相繞組內感應對稱的三相電動勢Es。根據基爾霍夫定律，定子每相所加的電源電壓Us，應當等於該
電動勢的負值-Es加上定子電流所產生的漏阻抗壓降is（Rs+jXsσ）。於是，定子的電壓方程為
Us=is（Rs+jXsσ）-Es（1.3）
式中，Rs為定子每相的電阻，Ω；Xsσ為定子每相的漏抗，Ω；Es為勵磁電流im在勵
磁阻抗上Zm的壓降，即Es=-mi Zm ，V 。
2） 轉子電壓方程
對於三相異步電主軸，氣隙主磁場除在定子繞組內感生頻率為fs的電動勢
Es外，還將在旋轉的轉子繞組內感生轉差頻率fr=sfs的電動勢Ers，Ers的有效
