交流伺服電機(jī)特性與應(yīng)用研究

引言

永磁同步電機(jī)是一個(gè)多變量系統(tǒng),具有時(shí)變、強(qiáng)耦合、非線性的特點(diǎn),主要應(yīng)用于高速加工中心和數(shù)控機(jī)床,直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)可以直接提供推力給負(fù)載,不需要任何中間的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu),使用它可大大提高機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的速度、精度和效率。相比傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式,直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)具有很大的優(yōu)點(diǎn):直線電機(jī)提供的加速度更大,能有效縮短加速和減速時(shí)間,提高響應(yīng)速度;由于省去了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié),進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度提高了,使得進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度和傳動(dòng)精度也得到了提高,同時(shí)省去了容易出現(xiàn)問題的集電環(huán)和碳刷,進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也得到了簡(jiǎn)化,降低了產(chǎn)品成本,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性得到了提高,維護(hù)變得更為簡(jiǎn)單,提高了運(yùn)行的效率和可靠性。

1XJT系列永磁同步直線電機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

交流永磁同步伺服系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)組成,相比其他交流伺服系統(tǒng),交流永磁同步伺服系統(tǒng)的區(qū)別主要體現(xiàn)在電機(jī)上,即交流永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子和端蓋等幾部分,與其他電機(jī)相比,xJT系列永磁同步電機(jī)主要有以下技術(shù)特點(diǎn):

(1)采用高性能欽鐵硼磁材料,體積小,推力密度高,過載能力強(qiáng)。

(2)采用直線驅(qū)動(dòng),具有高剛性,全閉環(huán),可實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)行。

(3)采用水冷結(jié)構(gòu),具有高推重比,可實(shí)現(xiàn)更大加速度的高速運(yùn)行。

(4)采用模塊化設(shè)計(jì),運(yùn)動(dòng)行程可無限擴(kuò)展,應(yīng)用領(lǐng)域廣。

(5)重量輕,可靠性高。

由于該系列永磁同步直線電機(jī)兼有直線電機(jī)和永磁電機(jī)的雙重優(yōu)點(diǎn),加上材料性能不斷提高,更加適用于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù),因而成為構(gòu)成高速、高精度直線進(jìn)給系統(tǒng)的首選機(jī)型,在高速、高精度數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用越來越廣泛。下面主要分析永磁同步直線電機(jī)在高檔數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用。

2永磁同步直線電機(jī)在高檔數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用技術(shù)分析

由于永磁同步直線電機(jī)本身具有較強(qiáng)磁性,其在高檔數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用存在一些特異性的技術(shù)問題,需要合理解決。

2.1減少磁吸力

永磁同步直線電機(jī)在動(dòng)子與定子之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的法向磁吸力,法向磁吸力是電機(jī)可提供持續(xù)推力的10倍左右。磁吸一般存在于定子與動(dòng)子、定子與安裝件之間,無論電機(jī)動(dòng)子中是否通電,法向磁吸力都存在。磁吸力的存在會(huì)引起直線導(dǎo)軌承受力增加,導(dǎo)致承受垂向力的直線導(dǎo)軌變形,一定程度上直接影響了數(shù)控機(jī)床的加工精度。另外,法向磁吸力也會(huì)增大導(dǎo)軌與滑塊之間的壓力,使得兩者之間產(chǎn)生較大的移動(dòng)摩擦力,摩擦力達(dá)到一定的數(shù)值,就會(huì)產(chǎn)生推力波動(dòng),降低數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能。因此,永磁同步直線電機(jī)應(yīng)用在高檔數(shù)控機(jī)床上,合理減小電機(jī)的磁吸力是一個(gè)需要重點(diǎn)解決的技術(shù)問題。廣州數(shù)控研發(fā)的xJT系列永磁同步直線電機(jī)將電機(jī)動(dòng)子、定子與機(jī)床直線導(dǎo)軌副結(jié)合起來設(shè)計(jì),解決法向磁吸力引起的問題,利用動(dòng)子與定子之間的法向磁吸力來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)永磁同步直線電機(jī)法向磁吸力水平方向的分力抵消為零。

2.2抗干擾問題

由于永磁同步直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)沒有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié),容易受到很多因素的干擾,如工件質(zhì)量、切削力的變化能直接作用于電機(jī)。所以,應(yīng)用在高檔機(jī)床上的永磁同步直線電機(jī)需要控制器具有較強(qiáng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性。目前,可以通過控制所需信號(hào)的其他部件遠(yuǎn)離直線電機(jī)磁場(chǎng)區(qū)域,減少干擾;另外,直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床必須采用全閉環(huán)控制,從而確?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3發(fā)熱問題

永磁同步直線電機(jī)在工作狀態(tài)下線圈會(huì)發(fā)熱,將產(chǎn)生很大的熱量。由于電機(jī)通常安裝在數(shù)控機(jī)床內(nèi)部,永磁同步直線電機(jī)的繞組、鐵芯就位于機(jī)床導(dǎo)軌附近,空間較小,散熱困難,過高的熱量將使導(dǎo)軌產(chǎn)生熱變形,影響機(jī)床的工作精度。所以在直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用中,散熱問題處理也是至關(guān)重要的一個(gè)技術(shù)問題。目前常用的冷卻措施為水冷,在直線電機(jī)動(dòng)子內(nèi)注入冷卻水,水流在動(dòng)子線圈繞組旁的冷卻水套迂回流出,隨即帶走熱量。需要注意的是,具體的冷卻參數(shù)需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用過程中的電機(jī)參數(shù)及其要求而定。

3永磁同步直線電機(jī)的具體應(yīng)用案例

下面以精度要求較高的高速外圓磨床為例,對(duì)永磁同步直線電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用狀況做詳細(xì)論述。該高速外圓磨床采用的是廣州數(shù)控新研發(fā)生產(chǎn)的xJT系列永磁同步直線電機(jī),這種電機(jī)的最大特點(diǎn)就是在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的全數(shù)字化,x軸采用直線電機(jī)與光柵尺閉環(huán)控制,具有非常強(qiáng)大的過載能力和速度調(diào)節(jié)能力,且該控制方式具有極高的定位精度,同時(shí)避免了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式產(chǎn)生的磨損問題。對(duì)于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩能夠做到很好的解耦獨(dú)立控制,幫助客戶更容易地控制尺寸,降低用戶后續(xù)使用成本。其安裝尺寸精度控制:初級(jí)線圈與次級(jí)磁板的尺寸間隙為1.3,初級(jí)線圈與次級(jí)磁板安裝的平面度為0.1,初級(jí)線圈與次級(jí)磁板安裝面的平行度為0.1,初級(jí)線圈與次級(jí)磁板中心線平行度為0.2。

xJT系列永磁同步直線電機(jī)也滿足了高速外圓磨床的高速磨削要求,保證了其在超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下也能夠維持機(jī)器運(yùn)作的平穩(wěn)。100xJT系列具體參數(shù)說明如表1所示,對(duì)應(yīng)的推力一速度特性圖如圖1所示。

從表1中的具體參數(shù)要求和圖1中的推力一速度特性我們可以看出,xJT系列永磁同步直線電機(jī)的應(yīng)用,能夠全面滿足外圓磨床的相關(guān)要求,同時(shí)還能確保設(shè)備的整體工作效率、工作穩(wěn)定性和控制精度的全面提升。

4結(jié)語

永磁同步直線電機(jī)在高檔數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用已呈加速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),其進(jìn)給驅(qū)動(dòng)方案在性能的許多方面都要優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案,然而直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在高檔數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用存在一些技術(shù)問題,需要逐漸完善電機(jī)使用及維護(hù)等其他配套技術(shù),提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)能力。