今科技术/转摘

AC主轴伺服电机及变频调速电机：基本概念与特性

电机的功率负载特性

做为一般驱动负载工作的回转电机有以下三种常用的功率负载特性：
 （1）连续工作制（S1）：指电机在额定工作条件和负载条件下允许长时间、不间断工作。
 （2）短时工作制（S2）：允许在规定短时间内超出额定功率运转，超载时间优先采用10、30或60分钟等。
 （3）断续工作制（S3）：按一定通断周期工作（如FANUC AC主轴电机规定50%ED率下，循环周期为10分钟：ON 5min，OFF 5min），以避免高温损坏绝缘。

关键区别：AC主轴电机多支持S2或S3工作制（短时间超载），如FANUC α11型主轴电机额定功率11kW，S2工作制30分钟内允许超载至15kW；而标准普通变频电机仅支持S1工作制，严禁超载。近年出现的“变频主轴电机”则兼具恒功率拐点转速低、允许S2工作制30分钟超载的特性，性价比优异。

电机的负载特性及主轴电机的拐点转速nj

AC主轴电机和变频调速电机的调速特性为：

nj拐点转速以上：恒功率调速（转速升高，扭矩下降）；

nj拐点转速以下：恒扭矩调速（转速下降，扭矩恒定）。

重要提示：机床主轴低速粗加工时，若转速落入恒扭矩段，需校核电机实际输出功率是否满足切削需求，否则可能出现“闷车”。我国标准AC主轴电机（如4极绕组）因电源频率50Hz，nj拐点转速通常为1500r/min。

主轴电机核心参数计算方法

（一）主轴电机转速的计算

公式：

n = (2×F / P) × 60   

n：电机转速（r/min）

F：控制赫兹数（Hz）

P：电机极数

示例（FANUC α12型主轴电机，4极，0-200Hz）：

最高输出转速：n = (2×200 / 4) × 60 = 6000r/min

恒功率拐点转速（50Hz以下为恒扭矩）：n = (2×50 / 4) × 60 = 1500r/min

（二）主轴电机额定输出扭矩及最大输出扭矩的计算

公式：

T = (9550 × N) / nj   

T：扭矩（Nm）

N：电机额定/30分钟超载功率（kW）

nj：恒功率拐点转速（r/min）

示例（FANUC α12型主轴电机，11/15kW）：

额定输出扭矩（连续）：T = (9550 × 11) / 1500 ≈ 70.03Nm

最大输出扭矩（30分钟超载）：T = (9550 × 15) / 1500 = 95.5Nm

注：数控机床通常以30分钟超载扭矩为标准；扭矩单位kg·m换算为Nm时需除以0.102。

（三）主轴电机恒扭矩转速范围内输出功率的计算

目的：校核低速恒扭矩段电机功率是否满足切削需求，避免闷车。
 公式：

P（kW）= 1.0269 × n(r/min) × T（kg·m）/ 1000   

示例（FANUC α12型电机，30分钟超载扭矩9.74kg·m，转速1000r/min）：
P = 1.0269 × 1000 × 9.74 / 1000 ≈ 10.002kW

（四）机床主轴额定输出扭矩及最大输出扭矩的计算

核心逻辑：电机输出扭矩通过传动链（皮带轮/齿轮）的降速比i放大，公式为：

M = (9550 × N × i × η) / nj   

M：主轴输出扭矩（kg·m）

η：机械传动效率（皮带轮直接传动取0.96）

注：计算时通常按主轴30分钟超载最大输出扭矩为标准。

车、铣、钻方式下主轴及电机所需功率的计算

单位切削力与单位切削功率概念

欧美日切削手册中常用：

单位切削力（P）：单位切削面积上的主切削力（N/mm²）；

单位切削功率（Ps）：单位时间内切除单位体积金属消耗的功率（KW/(mm³/S)）。

FANUC推荐计算方法

日本FANUC公司手册推荐通过金属去除率（MRt、MRm、MRd） 计算不同切削方式的功率需求，具体数值需查阅切削手册。例如：

车削时：根据工件材料、切削深度、进给量等参数，结合金属去除率MRt计算主轴所需功率。

关键提示：实际选型时需确保电机功率满足切削过程中的最大需求，同时充分利用AC主轴电机的短时超载特性优化设计。