1.1.3 西门子伺服电动机

由于数控机床对运动控制的要求很高，需要有良好的动态特性、大的调速范围和精确的位置控制精度，因而它需要特殊的伺服电动机。西门子的驱动系统一般采用同步伺服电动机，运用矢量控制原理。同步伺服电动机的转子上有交错分布的磁极，因而需要有相应的检测转子位置的检测元件，更换这些检测元件时也需要重新调整。

伺服电动机工作在最低转速和额定转速之间的恒转矩区。主轴电动机在最低转速到额定转速之间工作于恒转矩区，在额定转速到最高转速之间工作于恒功率区。

电动机的性能通过基本参数和主要技术特性指标来表示，基本参数包括转矩、转速、功率、频率等。

对于电动机，在恒转矩范围内功率与转速成正比，在恒功率范围内转矩与转速成反比。

转矩M、转速n、功率P的关系满足：

永磁同步伺服电动机在一定范围内，转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速旋转。转速n、频率f的关系为

式中，f为电源频率；p为磁极对数。

可见，转速在一定范围内与频率成正比。

1.主轴电动机

主轴电动机是精密的异步电动机，其原理和一般的笼型电动机原理相同，由于采用转差频率矢量控制方式，在这类电动机的尾部安装有脉冲编码器。异步电动机定子气隙侧的槽内嵌入三相绕组，当电动机通入三相对称交流电时，产生旋转磁场。这个旋转磁场在转子磁场导条中感应出电动势。由于感应电动势产生的电流和旋转磁场之间的作用产生转矩而使电动机旋转。

同步伺服电动机与异步伺服电动机最大的不同就是转子的结构不一样。同步伺服电动机的转子上有交错分布的磁极，因而需要有相应的检测转子位置的检测元件，更换这些检测元件时也需要重新调整。主轴电动机的转子与笼型电动机的转子一样，由于没有磁极，因而不需要相应的检测转子位置的信号。

在加速与低于额定转速制动时，主轴电动机具有恒转矩特性。主轴电动机工作在额定转速和最高转速之间的恒功率区。由于要达到很大的调速范围，主轴的额定转速一般都很低。

常用的SIEMENS主轴电动机有：1PH2/1PH4/1PH6/1PH7。

1PH2：液冷式主轴电动机。

1PH4：水冷式主轴电动机。

1PH6：风冷式主轴电动机。

1PQ5与1LA5/6：风冷式标准交流电动机。

1PH7主轴电动机编码器型号ERN1381，没有附加的C相与D相信号，故更换编码器不需要重新调整。

2.同步交流伺服电动机

对于同步交流伺服电动机，主要参数有额定转矩、额定转速、转动惯量、径向受力以及过载能力等。在额定速度范围内，转矩的变换很小，可认为是恒定转矩，同步矢量控制，具有较好的动态特性。

SIEMENS常用的同步交流伺服电动机有：1FT5/1FT6/1FT7/1FK6/1FK7。

1FT5：可与SIMODRIVE610/611A配合构成模拟驱动系统，可连接具有模拟接口的数控系统，如SINUMERIK810/820/850/880/840C。

1FT5电动机用测速发电机来检测速度。

1FT5电动机用均分在电动机圆周上的霍尔元件来检测转子的相对位置。

1FT5电动机是采用方波电流的恒磁同步电动机。

1FT6/1FK6/1FK7： 这几种电动机可与SIMODRIVE611D/611U配合构成数字驱动系统，可连接具有数字接口的数控系统，如SINUMEIK802D/810D/840D/840Di。这几种电动机的定子绕组结构与1FT5不一样，使得电动机的电流更接近于正余弦波形。这几种电动机用一个位置编码器来检测电动机速度。

1FK6与1FT6电动机的原理一样，只是在机械结构上有所区别。1FK6较1FT6经济；1FK7是在1FK6基础上开发的，机械接口完全与1FK6电动机兼容，但性能有所提高。

3.电主轴

电主轴的特点是主轴电动机被集成到主轴的机械部件中，构成一个整体结构的主轴系统。要解决好电主轴的振动、散热、支承、轴承、润滑、冷却和制造等相关技术问题。

根据电主轴内装电动机的控制方式，可分为普通交流变频电主轴和交流伺服电主轴两类；根据电主轴内装电动机的输出特性主要分为恒转矩和恒功率两类。

高速加工技术的特点是：

（1）高速轴承技术 主轴通常采用复合陶瓷轴承，特点是耐磨、耐热，其寿命是传统轴承的几倍，也可采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限长。

（2）高速电动机技术 电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电动机，其关键技术是高速度下的动平衡。

（3）润滑 电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑，也可采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。所谓定时，就是每间隔一定时间加入一次油；所谓定量，就是通过一个称为定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的加注油量。而油气润滑指的是润滑在压缩空气的携带下，对高速加工电主轴陶瓷轴承的润滑。油量控制很关键，如果太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。

（4）冷却装置 为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。

（5）内置脉冲编码器 为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相位控制以及与进给的配合。

（6）自动换刀装置 为了适应加工中心工作，电主轴配备了能进行自动换刀的装置，包括碟簧、刀具拉紧液压缸。

（7）高速刀具的装夹方式 广泛采用HSK、SKI等高速刀柄。

（8）高频变频装置 要实现电主轴转速达到几万甚至十几万转/分，必须采用高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率甚至需要达几千赫兹。

4.直线电动机

直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以直接线性驱动，原理与旋转同步交流伺服电动机相同，可以看成是将旋转同步交流伺服电动机展开铺平而成的。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级，当在直线电动机的初次绕组中通入三相对称电流时，便会在气隙中产生磁场，这个气隙磁场可以看成沿展开的直线方向呈正弦分布。当三相电流随时间变化时，气隙磁场沿直线移动，磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度一致，主级与次级相互作用，最终，拖动次级沿磁场的运动方向做直线运动。直线电动机的特点是：结构简单，加减速特性好，动态响应快，速度快，精度高，电流直接转化为运动，没有机械传动系统的能量损耗和迂回。直线电动机的冷却回路分为一次侧初级的主冷却回路和精冷却回路，二次侧次级的冷却回路。

西门子直线电动机有1FN1、1FN3两个系列。

5.力矩电动机

力矩电动机又称为转矩电动机或直接驱动电动机，是永磁同步电动机。其特点是：电动机极对数多、转矩大、速度低，对负载直接驱动，保证了最高的动态响应和精度，电流直接转化为运动，没有机械传动系统的能量损耗和迂回，集成的水冷系统抑制电动机温升。

西门子力矩电动机有1FW3、1FW6两个系列。