薛 建，程振濤，雷 群，曾 明

（廣州昊志機電股份有限公司，廣州 511356）

0 引言

電主軸是高檔數(shù)控機床的核心功能部件，尤其是在高速加工中心、多面體加工、多軸聯(lián)動等諸多先進機床設(shè)備中，高速電主軸的優(yōu)異特點是其他類型主軸單元所不能替代的［1］。隨著數(shù)控機床高速切削的發(fā)展，為了獲得更高的加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，對高檔數(shù)控機床用電主軸的性能提出既要滿足低速粗加工時的重切削，又要在高速切削時精加工的要求［2］。通過低速重切削來提升加工效率相對容易理解，以汽車工業(yè)為例，加工的零部件多為薄壁件或薄筋件，材料多為鋁或鋁合金，根據(jù)金屬切削原理，只有在切削速度高和切削力小的條件下，才能完成這類零部件的加工，因此選擇高速加工不僅直接提高了數(shù)控機床的工作效率，也間接提高了數(shù)控機床的加工精度。因此，就要求高檔數(shù)控機床用電主軸具有連續(xù)輸出高轉(zhuǎn)矩的能力和寬廣的恒功率運行范圍的能力，也即在恒功率運行時具有比較高的最高轉(zhuǎn)速。

文獻［3］對比分析了國產(chǎn)數(shù)控機床主軸最高轉(zhuǎn)速與國際高端品牌存在的顯著差異，提出了一種提高交流主軸伺服電動機恒功率運行最高轉(zhuǎn)速的設(shè)計方法，把提高交流主軸伺服電動機恒功率運行最高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)樘岣呓涣髦鬏S伺服電動機最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)的問題，并進行了仿真計算驗證了設(shè)想的合理性，但是這種設(shè)計方法將導(dǎo)致電機的功率因數(shù)偏低，從而犧牲了電機的力能特性指標(biāo)。文獻［4］指出Y／△變換技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于異步電動機的軟啟動、輕載節(jié)能和擴展弱磁調(diào)速范圍，并構(gòu)建了基于繞組開放式異步電機的Y／△變換運行時轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制系統(tǒng)的MATLAB／Simulink 仿真模型，表明采用Y／△變換拓寬異步電動機恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速范圍，但未涉及到電機本體的優(yōu)化設(shè)計研究。文獻［1-2］應(yīng)用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了雙繞組電主軸的Y／△繞組自動切換功能，解決了應(yīng)用側(cè)的問題［5］，但是同樣未涉及電機本體的優(yōu)化設(shè)計。另外，各大數(shù)控系統(tǒng)廠商［6-8］和專業(yè)生產(chǎn)電主軸的廠商［9］均有推出搭載多繞組切換技術(shù)的電機或電主軸產(chǎn)品。

綜上，本文認(rèn)為繞組切換技術(shù)是高檔數(shù)控機床用電主軸能同時滿足低速粗加工時重切削、高速切削時精加工要求的核心問題，則搭載繞組切換技術(shù)的電主軸驅(qū)動電機的設(shè)計開發(fā)和應(yīng)用推廣就顯得尤為重要。

1 繞組切換的理論分析

1.1 繞組切換的思想來源

根據(jù)異步電動機的工作特性有：

式中：Un為繞組n的外施相電壓；En為繞組n的相電勢；fn為繞組n的頻率；Φn為繞組n的磁通；Nn為繞組n的每相串聯(lián)匝數(shù)。

由于不論工作在低速繞組，還是工作在高速繞組，磁通Φn要維持不變，這樣才能保證在不同繞組模式下鐵心磁路飽和情況維持在合理狀態(tài)。

同時，異步電機的同步轉(zhuǎn)速、頻率和極對數(shù)之間存在如下關(guān)系：

式中：ne為同步轉(zhuǎn)速；pn為極對數(shù)。

聯(lián)立式（1）、（2）有：

可見，當(dāng)4.44pnΦn／60 為常數(shù)，且外施電壓一定時，同步轉(zhuǎn)速ne和每相串聯(lián)匝數(shù)Nn存在此消彼長的聯(lián)系，想要電機工作在轉(zhuǎn)速較低的階段，就需要更多的繞組匝數(shù)，反之則需要較少的繞組匝數(shù)。這就是需要用繞組切換技術(shù)來滿足電機寬廣調(diào)速范圍的思想源頭。

1.2 變極繞組切換的實現(xiàn)

這里以一臺定子槽數(shù)Q為48 的三相異步電動機為例展開說明低、高速雙繞組切換的演變過程。

根據(jù)式（2），交流電動機的調(diào)速方式除了改變運行頻率fn外，改變極對數(shù)pn也是一種直接有效的方法。當(dāng)?shù)退倮@組選擇為8 極，高速繞組選擇為4 極時，在相同的頻率下，低速繞組的同步轉(zhuǎn)速將是高速繞組的一半。同時由于一臺電機內(nèi)的所有繞組都嵌放在同一個定子鐵心內(nèi)，且定子鐵心嵌線槽內(nèi)的導(dǎo)體數(shù)NΦ基本要求是相等的。當(dāng)?shù)退倮@組的并聯(lián)支路數(shù)為a1，高速繞組的并聯(lián)支路數(shù)a2，此時，電動機低速繞組和高速繞組的每相串聯(lián)匝數(shù)N低、N高分別為：

根據(jù)交流電機的繞組理論［10］，48 槽三相異步電動機實現(xiàn)8／4 變極運行的必要條件是低速繞組的并聯(lián)支路數(shù)a1＝1、高速繞組的并聯(lián)支路數(shù)a2＝2，也即N低＝2N高。

結(jié)合式（3），再當(dāng)p1＝2p2時，4.44pnΦn／60 將不再是一個常數(shù)。為此要對繞組的接法做出改變，即當(dāng)?shù)退倮@組是△接法，高速繞組是Y接法時：

同理：

從而再次平衡了繞組匝數(shù)和電壓之間的關(guān)系，實現(xiàn)了變極繞組切換的過程。

容易得到48 槽三相異步電動機變極切換的接線原理圖如圖1 所示，其繞組展開圖如圖2 所示。

圖2 48 槽三相異步電動機8／4 變極繞組展開

以上就闡述清楚了通過變極繞組切換的方式，可以使一臺電機即能夠工作在低速繞組的模式，又可以工作在高速繞組的模式，從而充分發(fā)揮其在不同繞組狀態(tài)下的電機特性。

1.3 變極繞組切換的優(yōu)勢分析

式中：Tem為異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩；ΩS為機械角速度，ΩS＝2πn／60；R1為定子相電阻；R′2為轉(zhuǎn)子相電阻折算值；X1σ為定子漏抗；X′2σ為轉(zhuǎn)子漏抗折算值；s為轉(zhuǎn)差率。

從式（8）能看出，異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩與相電壓的平方成正比，如本案當(dāng)?shù)退倮@組采用△接法時，其相電壓等于外施電壓，處于高電位，從而使電動機具備輸出更高電磁轉(zhuǎn)矩的基本前提。

同時，根據(jù)異步電機的電壓矢量方程［11］：

式中：ZN為繞組n的阻抗參數(shù)，ZN＝RN＋jXNσ。

從式（10）能看出，異步電機的電抗數(shù)值XNσ與每相串聯(lián)匝數(shù)NN成平方關(guān)系。

投資人為了實現(xiàn)項目提前運營創(chuàng)收，工程總承包項目工期往往壓縮為初設(shè)階段的80%左右，工程總承包單位要在壓縮工期內(nèi)完成所有項目，則必須在簽訂合同時突出強調(diào)分包單位的工期違約責(zé)任，尤其對控制性工程的里程碑和關(guān)鍵節(jié)點工期，應(yīng)在合同中明確按天計的重獎重罰金額，在實施過程中逐一考核兌現(xiàn)，從而迫使分包單位始終重視工期，避免因為索賠事件而拖延工期的現(xiàn)象?？v向支付上，業(yè)主、總承包、專業(yè)分包、勞務(wù)分包、施工單位與作業(yè)隊之間簽訂的承包合同須有合理利潤，才能激發(fā)各方面的主觀能動性，激發(fā)他們的潛能。

針對單繞組的異步電動機，為了盡可能拓寬調(diào)速范圍，既要保證電機低速的性能，又要保證電機高速的性能，其每相串聯(lián)匝數(shù)NN的取值范圍一般為N低＞NN＞N高。當(dāng)電機的轉(zhuǎn)速越高，其頻率也越大，導(dǎo)致電抗XNσ就越大，其壓降就越多，在外施電壓維持不變時，反電勢就必然降低，電機中的磁場儲能同步降低，電機將不能維持恒功率運行。而變極繞組切換電動機在高速階段的每相串聯(lián)匝數(shù)N高最少，其電抗的壓降最少，從而使電機內(nèi)的磁場儲能在一個較寬廣的轉(zhuǎn)速范圍維持不減弱，進而拓寬了電機的恒功率運行范圍。

2 單繞組和多繞組切換電機的性能對比

為了驗證以上理論分析的正確性，以一臺48 槽定子的三相異步變頻電機為例進行了電磁計算，其基本要求在轉(zhuǎn)速6 000 r／min以內(nèi)輸出盡可能大的轉(zhuǎn)矩，同時還要保證在最高轉(zhuǎn)速30 000 r／min 時盡可能輸出較大的功率。為了充分對比各方案的性能，規(guī)定定、轉(zhuǎn)子的鐵心完全相同，電機各工作點的熱負(fù)荷接近，散熱條件相同。受當(dāng)前逆變器輸出頻率的限制，最高轉(zhuǎn)速30 000 r／min的異步電機多選擇為4 極，因此設(shè)計了單繞組4 極和8／4 變極雙繞組切換兩種方案加以比較，電機模型截面圖如圖3 所示，電磁計算結(jié)果如表1 所示。

圖3 電機模型截面

表1 電機性能參數(shù)匯總

由此可知，在電密和熱負(fù)荷接近相等的前提下，在低速段，8／4 變極雙繞組切換方案比4 極單繞組方案的額定轉(zhuǎn)矩提升了約15%；在高速段，兩款電機的帶載能力基本持平。這充分證明了多繞組切換的確能夠提升電機的輸出能力，使低速階段能夠輸出大的轉(zhuǎn)矩，在高速階段能夠輸出大的功率，很好地契合了高檔數(shù)控機床電主軸的典型應(yīng)用場景。

3 8／4 變極雙繞組切換的實現(xiàn)

上文提到，應(yīng)用西門子840D 數(shù)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)雙繞組電主軸的繞組自動切換功能。然而數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大、功能繁多、操作復(fù)雜，不太適合在設(shè)計開發(fā)階段開展電機型式試驗和驅(qū)動應(yīng)用測試，本案擬應(yīng)用英國CT公司的HS71 系列高速主軸驅(qū)動器對一臺搭載8／4變極雙繞組切換功能的高檔數(shù)控機床電主軸進行驅(qū)動切換應(yīng)用測試。

8／4 變極雙繞組自動運行切換電主軸電機的繞組接線原理如圖4 所示，繞組切換測試的現(xiàn)場實物如圖5 所示。

圖5 8／4 變極雙繞組切換測試現(xiàn)場

△形接法：端子U1、V1、W1，KM2 吸合，KM1 和KM3斷開。此時電機呈8極狀態(tài)，適用于低速大扭矩模式；

Y形接法：端子U2、V2、W2，同時U1、V1、W1短接，KM1 和KM3 吸合，KM2 斷開。此時電機呈4 極狀態(tài)，適用于高速高功率模式。

3.1 電機和編碼器參數(shù)設(shè)置及自學(xué)習(xí)

分別設(shè)置電機和編碼器參數(shù)并進行自學(xué)習(xí)，其中MOTOR1 設(shè)置為△形接法，MOTOR2 為Y 形接法，需設(shè)置的電機參數(shù)如表2 所示。

表2 電機參數(shù)

將表2 的參數(shù)逐步設(shè)置在驅(qū)動器相應(yīng)的參數(shù)代碼內(nèi)：

＃3.034 ＝128

＃3.038 ＝SC

＃5.006 ＝400 Hz

＃5.007 ＝25 A

＃5.008 ＝5 960 r／min

＃5.011 ＝8

＃21.006 ＝500 Hz

＃21.007 ＝25 A

＃21.008 ＝14 960 r／min

＃21.011 ＝4

設(shè)置完成后，分別通過＃11.045 選擇MOTOR1 或MOTOR2 進行自學(xué)習(xí)，設(shè)置＃5.012 ＝2 進行旋轉(zhuǎn)自學(xué)習(xí)，自學(xué)習(xí)出來的參數(shù)分別存在MENU4、5 （MOTOR1）和MENU21（MOTOR2）里面。

3.2 切換控制電路與控制時序

初步控制時3 個接觸器采用驅(qū)動器輸出信號來控制，如圖6 所示。

當(dāng)前電機繞組切換功能由外部端子控制，后續(xù)也可以在數(shù)控系統(tǒng)里面根據(jù)電機情況判斷并輸出IO 信號控制，本文以5 000 r／min作為切換點：（1）驅(qū)動器控制MOTOR1啟動，此時＃11.045 ＝0；（2）電機運行到5 000 r／min，接通切換IO信號；（3）立即斷開驅(qū)動器使能信號＃6.015或T31，啟動信號保持不變，驅(qū)動器禁止輸出；（4）延時50 ms，斷開接觸器KM2，程序或外部IO 控制設(shè)定＃11.045 為1；（5）延時200 ms，判斷＃21.015 是否為1，接通接觸器KM1、KM3；（6）延時200 ms后，接通使能信號，驅(qū)動器按轉(zhuǎn)速跟蹤方式啟動。

圖6 切換控制電路

圖7 切換過程監(jiān)控

按此時序控制，通過監(jiān)控曲線能觀察到整個切換的過程和狀態(tài)，如圖7 所示。由圖可知，驅(qū)動器控制電機和外部繼電器順利完成了繞組切換，切換過程的時間跨度大約為0.5 ～1 s，轉(zhuǎn)速跌落了約80 r／min，切換過程中的峰值沖擊電流約為25 A，約等于電機的額定電流，從而可見繞組切換的整體過程平順，速度擾動小，電流沖擊低，沒有對電主軸造成有害影響。

4 結(jié)束語

本文基于電機學(xué)原理，闡述了繞組切換技術(shù)是高檔數(shù)控機床用電主軸能同時滿足低速粗加工時重切削、高速切削時精加工要求的有效手段，并經(jīng)過設(shè)計計算對比了約定電密和熱負(fù)荷接近的前提下，8／4 變極雙繞組切換方案比4 極單繞組方案的額定轉(zhuǎn)矩提升約15%，在高速段兩款電機的帶載能力基本持平這一基本事實，充分證明了多繞組切換技術(shù)很好地契合了高檔數(shù)控機床電主軸的典型應(yīng)用場景。最后應(yīng)用CT公司的HS71 系列高速主軸驅(qū)動器完成了一臺搭載8／4 變極雙繞組切換功能的高檔數(shù)控機床電主軸的驅(qū)動切換應(yīng)用測試，切換過程的時間跨度大約為0.5 ～1 s，轉(zhuǎn)速跌落了約80 r／min，切換過程中的峰值沖擊電流大約為25 A，約等于電機的額定電流，從而可見繞組切換的整體過程平順，速度擾動小，電流沖擊低，沒有對電主軸造成有害影響，從而拓寬和解決了繞組切換技術(shù)的驅(qū)動應(yīng)用問題。