高速電機

高速加工技術越來越受到人們的關注，它不僅可獲得更大的生產率，而且還可獲得很高的加工質量，並可降低生產成本，因而被認為是21世紀最有發展前途的先進製造技術之一。 ^[1] 

在先進工業國家，此項技術已廣泛應用於航空、航天及模具行業。在近五年中，我國的該項技術也取得了長足的進步。是實現高速切削的前提條件。

高速機牀與虛擬軸機牀均為機牀突破性的重大變革。無論是普通數控機牀還是虛擬軸機牀，實現高速化的關鍵部件仍是主軸單元。 ^[1] 

主軸高速化常用dn值(dn值是指主軸軸承的平均直徑(mm)與主軸的極限轉速(r/min)的乘積)來衡量，高速主軸常是指dn值在1.0×10⁶以上的主軸。隨着軸承技術、潤滑技術的發展，主軸的轉速在逐年提高。在資料顯示，在80年代，主軸軸承在脂潤滑條件下的dn值最多隻能達到0.5×10⁶，但當油氣潤滑裝置開發出來以後，dn值迅速提高到1.0×10⁶，採用角接觸陶瓷球軸承後，主軸軸承的dn值進一步提高到2.0×10⁶。 ^[1] 

到90年代，採用新的潤滑方式——噴射潤滑，使主軸的dn值達到3.0×10⁶。對於轉速在10000r/min以上的主軸單元，通過皮帶或者聯軸器來驅動已不再合適，較合理的方式是採用內裝電機直接驅動，即將電機的轉子直接安裝在主軸上，定子安裝在主軸套筒裏，做成所謂電主軸的形式。

該電主軸具有結構緊湊、易於平衡、傳動較率高等優點，是高速 ^[1]  主軸理想的結構。電主軸的性能除了受軸承及其潤滑技術影響較大以外，還受許多因素的影響，其中包括軸承預緊力的控制、內裝電機的發熱與冷卻、主軸的動平衡、軸上零件的連接等。 ^[1] 

此外，主軸軸端的設計也是高速電主軸不容忽視的問題。 電主軸軸承的選擇及其預緊技術用在高速主軸單元上的軸承主要有角接觸球軸承、磁懸浮軸承、水基動靜壓軸承、空氣動靜壓軸承等。 ^[1] 

磁懸浮軸承由於價格昂貴，控制系統複雜，發熱問題難以解決，因而還無法在高速主軸單元上推廣應用。 ^[1] 

水基靜壓軸承是國內較熱門的研究課題之一，它是利用水具有熱容量較大、軸承温升較小的特點，部分解決了普通動、靜壓軸承發熱嚴重的問題，主要用在低速重載場合。 ^[1] 

空氣動靜壓軸承徑向剛度低並有衝擊，但高速性能好，一般用在超高速、輕載、精密主軸上。 ^[1] 

角接觸球軸承dn值在2.0×106以下的高速主軸單元中應用，無論是速度極限、承載能力、剛度、精度等各方面均能很好地滿足要求並已標準化，價格低廉，角接觸球軸承還可通過以下方法來提高性能。 ^[1] 

主軸軸承常見的潤滑方式有脂潤滑、油霧潤滑、油氣潤滑、噴射潤滑及環下潤滑等。

脂潤滑不需任何設備，是低速主軸普遍採用的潤滑方式。dn值在1.0×10⁶以上的主軸，多采用油潤滑的方式.

油霧潤滑是將潤滑油(如透平油)經壓力空氣霧化後對軸承進行潤滑的。這種方式實現容易，設備簡單，油霧既有潤滑功能，又能起到冷卻軸承的作用，但油霧不易回收，對環境污染嚴重，故逐漸被新型的油氣潤滑方式所取代。 ^[2] 

油氣潤滑是將少量的潤滑油不經霧化而直接由壓縮空氣定時、定量地沿着專用的油氣管道壁均勻地被帶到軸承的潤滑區。潤滑油起潤滑的作用，而壓縮空氣起推動潤滑油運動及冷卻軸承的作用。油氣始終處於分離狀態，這有利於潤滑油的回收，而對環境卻沒有污染。實施油氣潤滑時，一般要求每個軸承都有單獨的油氣噴嘴，對軸承噴射處的位置有嚴格的要求，否則不易保證潤滑效果，油氣潤滑的效果還受壓縮空氣流量和油氣壓力的影響。一般地講，增大空氣流量可以提高冷卻效果，而提高油氣壓力，不僅可以提高冷卻效果，而且還有助於潤滑油到達潤滑區，因此，提高油氣壓力有助於提高軸承的轉速。 ^[2] 

實驗表明，加大壓力比採用常規壓力進行油氣潤滑可使軸承的轉速提高20%。噴射潤滑是直接用高壓潤滑油對軸承進行潤滑和冷卻的，功率消耗較大，成本高，常用在dn值為2.5×10⁶以上的超高速主軸上。

環下潤滑是一種改進的潤滑方式，分為環下油潤滑和環下油氣潤滑。實施環下油或者油氣潤滑時，潤滑油或油氣從軸承的內圈噴入潤滑區，在離心力的作用下潤滑油更易於到達軸承潤滑區，因而比普通的噴射潤滑和油氣潤滑效果好，可進一步提高軸承的轉速，如普通油氣潤滑，角接觸陶瓷球軸承的dn值為2.0×10⁶左右，採用加大油氣壓力的方法可將dn值提高到2.2×10⁶，而採用環下油氣潤滑則可達到2.5×10⁶。 ^[2] 

影響角接觸球軸承高速性能的主要原因是高速下作用在滾珠上的離心力和陀螺力矩增大。

離心力增大會增加滾珠與滾道間的摩擦，而陀螺力矩增大則會使滾珠與滾道間產生滑動摩擦，使軸承摩擦發熱加劇，因而降低軸承的壽命。

為了提高軸承的高速性能，常採用兩種方法： ^[2] 

一是減小滾球的直徑，如採用已標準化的71900系列主軸軸承；

另一種則是採用新型的陶瓷(Si3N4)材料做滾珠，由於Si₃N₄陶瓷材料的密度僅為軸承鋼的40%，因而這種軸承的高速性能明顯高於全鋼軸承。抑制振動及高速回轉時滾珠公轉和自轉的滑動，提高軸的迴轉精度等，在主軸上使用的滾動軸承均需預緊。預緊的方式主要有恆位置預緊和恆力預緊。 ^[2] 

對於高速電機，用維修普通電機的一般方法維修，未必能修好，修好後，未必能長時間使用。根據國內外實踐經驗。介紹一下轉速為20000RPM 高速電機與一般低速電機不同的維修方法。 ^[3] 

觀察電機運轉時碳刷與換向器之間是否產生火花，出現火花的程度，(1)是無任何火花。説明碳刷與換向器都正常，無需修理；(2)只是有2～4個極小火花。這時仔細觀察換向器表面若是平整的。大多數情況可不必修理；(3)除r有4個以F的極小火花，另有1～3個大火花，則不必拆卸電樞，只需用砂紙磨碳刷換向器；(4)如果出現4個上的大火花，則需要用砂紙磨換向器，甚至要認真地將換向器進行車加這時必須把碳刷與電樞拆卸下來。當然一巨換向器被加工後，就一定要換碳刷磨碳刷。 ^[3] 

因為在拆卸端蓋與電樞時，振動會把碳刷損壞，所 應首先把碳刷從碳刷糟中取出。又固為兩個碳 稽與挾向器的夾角未必相同，為確保在安裝時能恢復原樣，左右碳刷不會裝反，必須在取出碳刷之前。給左右碳刷做好記號。另外切記不要碰壞碳 與換向器的接觸面。 ^[3] 

高速電機的一端一般有一個散熱風痢，在另一端也許會有一個測轉速用的磁鋼或測速環在拆卸散熱風扇葉與磁鋼或測速環時一定要小心翼翼，不能把風扇的崩葉、測速磁鋼碰壞。其次要在風扇軸套或在磁鋼軸套與軸之間也傲一個記號，以便修理完畢後可以按原來的標記位置安裝 因為高速電機的動平衡試驗是帶着扇葉或測速環(測速磁鋼)作的，所以組裝時，必須按拆卸時的記號組裝 這一點在一般電機修理中是無關緊要的小事，I面在高速電機的修理中可事關大局。因為一旦損壞測速環或風扇片，或段有按記號組裝，即使其它部分修理得很好。組裝之後，在高速運行時 也可能會引起整機的不平衡振動。 ^[3] 

拆卸高速電機時不可用錘子、衝子⋯ 等硬敲硬撬要用拉馬，使用拉馬時要注意：拉嗎的頂尖 要直接頂在頂尖眼上，要在拉馬頂尖與頂尖眼之同墊一保護墊，其目的是保護電樞軸上的頂尖眼避免損壞。 ^[3] 

在拆卸之前一要在七下端蓋上做上記號。以便修理後按原樣裝上。拆卸電樞上的軸承應小心清洗，清洗時用乾淨的航宅汽油，待汽油幹後再用7014(或7018)軸承潤滑脂填滿軸承室(高速電機的軸承不能用普通黃油、二硫化鉬)．放在乾淨的地方待用；如果換向器的表面平整而且有一層紫色的光澤，這是氧化層可以保護換向器的表面，用揉軟的毛刷除去表面的粉末即可。 ^[3] 

高速電機一般應用於數控雕刻機、精密磨牀及高速離心設備等設備，以數控雕刻機為例來闡述S350變頻器在高速電機上的應用。 ^[3] 

主軸系統是數控雕刻機的重要組成部件，其性能對數控雕刻機整機的性能有着至關重要的影響。主軸電機多采用兩極高速無刷水冷電機，噪音小、切割力度大，運行轉速一般在0～24000RPM，對應的變頻器運行頻率為0～400HZ。因此係統要求穩速精度高、低速時力矩大、加減速時間短、高速時温升低等來滿足高生產效率與加工品質。 ^[3] 

將S350控制方式選擇為V/F控制模式，用DCM端子來接收數控系統模擬量信號（0~10V），MI1端子來控制起停，通過MI2~MI4端子來設置生產需要的七段速。MI5端子作為故障輸入。 ^[3] 

根據現場生產要求，將參數F0.18和F0.19設置成2秒（加減速時間），因運行轉速較高，變頻器需帶制動單元。系統在50HZ，100HZ，200HZ，250HZ，300HZ，350HZ，400HZ這七段速度頻率下，運行穩定，400HZ（對應24000RPM）時温升低，可以有效延長電機的壽命。 ^[3] 

七段速參考端子設定：

MI2: 50HZ MI3: 100HZ MI3+MI2: 200HZ MI4: 250HZ

MI2+MI4: 300HZ MI3+MI4: 350HZ MI2+ MI3+MI4: 400HZ ^[3] 

國外對高速電機及相關技術的研究比較早，已經取得了很多的研究成果，而且隨着新材料的不斷出現，加工工藝的不斷改進，技術必將以更快的速度向前推進。國內對高速電機的研究還不是很多，基本上限於功率較小的發電機或電動機。 ^[3] 

高速電機在以下各方面具有廣闊的應用前景：

（1） 高速電機在空調或冰箱的離心式壓縮機等各種場合得到應用，而隨着科學技術的發展，特殊要求越來越多，它的應用也會越來越廣泛。 ^[1] 

（2） 隨着汽車工業混合動力汽車的發展，體積小，重量輕的高速發電機將會得到充分的重視，並在混合動力汽車，航空，船舶等領域具有良好的應用前景。 ^[1] 

（3）由燃氣輪機驅動的高速發電機體積小，具有較高的機動性，可用於一些重要設施的備用電源，也可作為獨立電源或小型電站，彌補集中式供電的不足，具有重要的實用價值。 ^[1] 

由於高速電機轉子上的離心力與線速度的平方成正比，高速電機要求具有很高的機械強度；又由於高速電機頻率高，鐵耗大，在設計時應適當降低鐵心中的磁密，採用低損耗的鐵心材料。

軸承的研究也是與高速電機密不可分的內容，因為普通軸承難以承受在高速系統中承受長時間運行，必須採用新材料和新結構的軸承。 ^[1] 

高速電機可以有多種結構形式，如感應電機、永磁電機和磁阻電機等。電機在高速旋轉時的離心力很大，當線速度達到200m/s以上時，常規疊片轉子難以承受高速旋轉產生的離心力，需要採用特殊的高強度疊片或實心轉子。 ^[1] 

在轉子動力學發展的近百年的歷史中，出現過很多計算方法，現代的計算方法主要可以分為兩大類：傳遞矩陣法和有限元法。

有限元法的運動方程表達方式簡潔，規範，在求解轉子動力學問題或轉子和周圍結構一起組成的複雜機械系統的問題時，有很多優點。有限元法對複雜轉子系統剖分龐大，計算結果比傳遞矩陣法準確，然而計算耗時長，佔用內存大。現代計算機技術的發展，給有限元法提供了良好的硬件技術。 ^[1]