直流主轴电动机

为了满足数控机床对主轴驱动的要求，主轴电动机必须具备下述性能：

(1)电动机的输出功率要大。

(2)在大的调速范围内速度应该稳定。

(3)在断续负载下电动机转速波动小。

(4)加速和减速时间短。

(5)电动机温升低。

(6)振动、噪声小。

(7)电动机可靠性高、寿命长、容易维护。

(8)体积小、重量轻，与机械连接容易。

(9)电动机过载能力强。

直流主轴电动机的结构与永磁式直流伺服电动机的结构不同。因为要求主轴电动机输出很大的功率，所以在结构上不能做成永磁式，而与普通的直流电动机相同，也是由定子和转子两部分组成，转子与直流伺服电动机的转子相同，由电枢绕组和换向器组成。而定子则完全不同，它由主磁极和换向极组成。有的主轴电动机在主磁极上不但有主磁极绕组，还带有补偿绕组。

这类电动机在结构上的特点是：为了改善换向性能，在电动机结构上都有换向极，为缩小体积，改善冷却效果，以免使电动机热量传到主轴上，采用了轴向强迫通风冷却或水管冷却。为适应主轴调速范围宽的要求，一般主轴电动机都能在调速比1：100的范围内实现无极调速，而且在基本速度以上达到恒功率输出，在基本速度以下为恒转矩输出，以适应重负荷的要求。电动机的主极和换向极都采用硅钢片叠成，以便在负载变化或加速、减速时有良好的换向性能。电动机外壳结构为密封式，以适应机加工车间的环境。在电动机的尾部一般都同轴安装有测速发电机作为速度反馈元件。

基本速度以下时的速度均属于恒转矩范畴．通过改变电枢电压的方法来调整速度的变化；同时基本速度以上的属于恒功率范畴，可以通过控制激磁的调速方法来调整速度的变化。恒转矩的速度范围是恒功率的速度范围的1/2。直流主轴电动机的过载能力较好，且大都能过载为连续额定电流的1.5倍。过载的时间因厂家不同有较大的差别。

直流主轴控制系统调压调速部分是由电流环和速度环组成的双环系统。直流主轴电动机的功率较大，主回路功率元件常采用品闸管器件。采用他激式主轴电动机时，由于励磁绕组与电枢绕组之间没有连接关系，所以需要有直流电源来供电。磁场控制回路由励磁电流设定回路、电枢电压反馈回路及励磁电流反馈回路三者的输出信号经比较后来控制励磁电流．电枢电压在210 V以下时，电枢反馈电压低于6.2 V，此时磁场控制回路中电枢电压反馈类似于开路，通过励磁电流反馈作用来保持励磁电流恒定并完成调压调速。电枢电压大于210 V时电枢反馈电压高于6.2 V，励磁电流反馈相当于开路，引入电枢反馈电压形成负反馈。随着电枢电压的提高，调节器即对磁场电流进行弱磁升速，同时让转速提高。 2100433B

直流主轴电动机的输出功率要大，因此在结构上不可能做成永磁式的。直流主轴电动机的结构与普通直流电动机的结构基本相同，为他励式。其定子除了主磁极外，还有换向极，增加换向极是为了改善电动机的换向性能。电动机的主磁极和换向极都采用矽钢片叠成。在主磁极上除了绕有主磁极绕组外，还绕有补偿绕组。增加补偿绕组是为了消除转子反应磁动势对气隙主磁通的影响，改善电动机的调速性能。

直流主轴电动机的转子与永磁直流伺服电动机的转子相同，由转子绕组和换向器组成。

直流主轴电动机外壳采取封闭式结构，以适应恶劣的工作环境。电动机采用轴向强迫通风冷却或热管冷却，以改善冷却效果，避免电动机热量传到主轴。电动机尾部同轴安装有测速发电动机等速度反馈元件。

交流主轴伺服电动机在结构上有以下三方面的新发展。

(1)输出转换型交流主轴电动机为了满足机床切削加工的需要，要求主轴电动机在任何切削速度下都能提供恒定的功率。但主轴电动机本身由于特性的限制，在低速时为恒转矩输出，而在高速区为恒功率输出。主轴的恒定特性用恒转矩范围的最高速度和恒功率时最高速之比来表示。一般的交流主轴电动机，这个比例为1：3～1：4。为了使低速区也有恒功率，在主轴和电动机之间装有主轴变速箱。如果主轴电动机本身有宽的恒功率范围，则可省掉变速箱，简化主轴结构。现在已开发出一种称为输出转换型交流主轴电动机。输出切换方法很多，有三角一星形切换，绕组数切换或二者组合切换。尤其是绕组数切换非常方便。而且，每套绕组都能分别设计成最佳的功率特性，能得到非常宽的恒功率范围，一般能达到1：8—1：30。

(2)液体冷却电动机在电动机尺寸一定的条件下，输出功率受电动机发热的限制。为此，必须解决发热的问题。一般采用风扇冷却的方法散热。如果采用液体(润滑油)强迫冷却能在保持小体积条件下获得大的功率输出。液体冷却主轴电动机结构的特点是在电动机外壳和前端盖中间有一个独特的油路通道，用强迫循环的润滑油经此来冷却绕组和轴承，使电动机能在20000 r/min高速下连续运行。这类电动机功率范围也很宽。

(3)内装式主轴电动机如果能将主轴与电动机制成一体，就可省去齿轮结构，使主轴驱动简化，这种主轴称为电主轴。内装式主轴电动机的电动机轴就是主轴本身，而电动机的定子装在主轴头内。

交流主轴伺服电动机从结构上分有带换向器和不带换向器两种。通常多用不带换向器的三相感应电动机。它的结构是定子上装有对称三相绕组，而在圆柱体的转子铁芯上嵌有均匀分布的导条，导条两端分别用金属环把它们连在一起，称为笼式转子。为了增加输出功率，缩小电动机的体积，采用了定子铁芯在空气中直接冷却的办法，没有机壳，而且在定子铁芯上做出了轴向孔以利通风。为此，电动机外形呈多边形而不是圆形。电动机轴的尾部同轴安装有检测元件。

直流无刷电动机（Brushless DC Motor）是没有电刷和换向器的直流电动机。

结构上是永磁交流同步电机，利用电力电子技术（变频器）输入交流讯号到马达。但这些交流讯号不是正弦波，只是双向的直流电，波形没有限制。但新型向量控制技术已对无刷直流电机使用正弦波控制，使得转矩波动和低速性能均有较大改善。

较简单的结构是有一枚永久磁铁及两组（四个）线圈，两组线圈轮流开关。永久磁铁是转子，线圈是定子。当磁铁与线圈成一直线的时候，断开该组线圈，启动下一组线圈。

与传统有刷式直流电动机相比，无刷式较为安全和可靠。碳刷长期使用有碳粉，高温环境下，碳粉可能会爆炸。因此，需要定期清理，同时保养成本较高。