高速电主轴热—结构特性研究
电动机定子 和转子 的发 热来 源 于 电动机 的损 耗。
电动 机 的 损 耗 一 般 分 为 ４ 类 ： 械 损 耗 、 损 耗 、 损 机 电 磁
耗 和附加损耗 。前 ３ 类损 耗为主要损耗 。附加损耗在 总 的损 耗中所 占的比例很 小 ， 约为 １ 一 ％。 ％ ５
子 与滚 道 的滚 动 摩 擦 、 速 下 所 受 陀螺 力 矩 产 生 的 高
滑动摩 擦 、 滑 油 的粘 性 摩 擦 等 。 电 主轴 的支 承 部 润
件 是高 速高 寿命 精 密 轴 承 ， 机 型选 用 德 国 Ｆ Ｇ公 该 Ａ
司制造 的角 接触轴 ， 动 体材 料 为 陶瓷 ， 细 参 数见 滚 详
于 高速机 床 主 轴 系 统 都 采 用 高 刚 度 的设 计 ， 而其 外
表 １ 电 主 轴 技 术 参 数
功 率 （ Ｗ） ｋ
转 速 （／ ｉ ） ｒｍｎ
ｌ ２
３０ ０ ０—１ ０ ０ ２ ０
冷 却量 （ ） Ｌ
扭 矩 （ ｍ） Ｎ
２ ５
９５ ．
载荷 却不 大 ， 因此 由外 载 荷 所 引起 的主 轴 的 弹性 变 形也 较小 。然 而 电主轴 在 运行 中 的发 热却 是 不 可避 免的， 由机 床 发 热 所 引 起 的加 工 误 差 已经 占 到 了 总 加工误 差 的 ６ ％ ～８ ％ ， ０ ０ 因此 ， 于高 速主轴 单 元来 对
文 章 编 号 ：０ １—２ ６ ２ ２） １—０ ２ １０ ２ ５（ ０１ ０ ０ ５—０ ３
高速 电主轴热一结构特性研 究
苏宇锋 袁 文信 刘德 平 刘 武 发 汪 玉 平。 ， ， ， ，
（ ． 州大 学 机 电一 体 化 研 究所 ， 州 １郑 郑
４５ ０ ） ５ ０ ０
说， 必须具 备 良好 的热一 结构 性能 。 本文 以某 机床厂 生 产 的大 功 率 车铣 复 合 加 工 中 心 Ｃ ８７ Ｘ ０ ５的铣削 电 主轴 为研 究 目标 ， 重从 电主轴 着 的热 一 构特性 方 面利用 有 限元 的方法 进行分 析 和研 结
究。
前 轴承
电压（ Ｖ）
的拉 刀机 构及后 支 座等 附属 机构 不 参 加有 限元 的建
模 ； 略所 有 的螺 钉 、 气 孔 、 油孔 和倒 角 等 细 小 忽 通 通 的结 构 。 采用 Ｃ Ｄ Ｔ单 元进 行 网格 的划 分 ， 了更 好 地 ３８ 为 分析 轴承部 分 ， 轴 承 附 近 的结 构 进 行 局 部 网格 细 对 化处 理 。划分后 的有 限元模 型 （ ２ ， 有 ２ ８ １ 图 ）共 ８ ９ 个 单元 ，５ ６ ４ １ ０个节 点 。
电流 （ ） Ａ
３ ０±１ ％ ８ ０
２ ． ７５
额定效率 （ ） ＂
润 滑 方 式
Ｏ８ ．
油 — — 气
主轴
电机 定子
电机转 子 后轴 承
１ 电主 轴 的 热 源 分 析
Ｃ ８７ Ｘ ０ ５车 铣 复 合 加 工 中心 的铣 削 电 主轴 的部
分技 术参数 如 表 １ 示 ， 结构 如 图 １ 所 其 所示 。
滚动体直径 Ｄ／ ｍ ｂｍ
接触角 ａ。 ／ 预 紧力 Ｆ ／ Ｎ
ｌ． ２５
２ ５ ２ｌ 主轴 前 轴 承 组 与后 轴 承 组 各 自两 两 串联组 配 ， 用 定 位 预 紧 方 式 。前 轴 承组 与后 轴 承 采 组采用 “ 对背 ” 式 的结 构 ， 背 方 以分 别 承 担 径 向和轴 向负荷 ， 在具 有较 高 刚度 的同 时 ， 能 实 现较 高 的 主 还
Ｋ ｅ ｒ ：ｍ ｏ ｏ ｉｅ ｐｉ ｌ ｙ ｗｏ ｄｓ ｔ ｒｚ ｄ ｓ ｎｄ ｅ；ＦＥＡ ；ｔ ｅ ｍ ａ —ｔｕ ｔ ｒ ｌｃ ａ ａ ｔｒｓｉ ｓ ｈ ｒ ｌｓｒ ｃ ｕ ａ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｃ
０ 引 言
高速 电 主轴 作 为 高 速 机 床 的最 核 心 部 件 ， 时 同 也是 这类 型 机 床 的最 大 的热 源 。在 高 速 加 工 中 ， 由
（） １ 电主轴 内部冷却 循 环系统 的对 流换 热 。
（ ） 承与润 滑油 的对 流换热 。 ２轴 （） ３ 电机 定子 和转 子 间气 隙 的对 流换热 。 （） ４ 主轴 转子 端部 的传热 。 （） ５ 电主轴 与外部 空气 的传热 。
式 中， ９为热 源 的发热 量 ； Ｖ为热 源 的体 积 。
第 １期 ２１ ０ ２年 １月
组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术
Ｍｏ ｄｕｌ ｒ Ｍ ａ ｈｉ ｅ Ｔｏ ａ ｃ ｎ ｏｌ＆ Ａ ｕ ｏ ａｔｃ Ｍ ａ ｆ ｃ ｕ ｉ ｇ Ｔｅ ｈｎ ｑｕ ｔ ｍ ｉ ｎｕ ａ ｔ ｒ ｎ ｃ ｉ ｅ
Ｎ０ １ ．
Ｊｎ ０２ ａ ．２ １
表 ２
表 ２ 主 轴 角 接 触球 轴 承 部分 技 术 参 数
参 数
型 号 内径 ｄ ｍ ／ ｍ 外 径 Ｄ ｍｍ ／ 宽度 Ｂ ｍ ／ ｍ
输 出转换 文件 ， 再导入 有 限元 分 析软 件 Ａ Ａ Ｕ Ｂ Ｑ Ｓ中。
电主轴 的定 子 和转 子 均 可 以 视 为 厚 壁 圆筒 ， 后 轴 前 承 的滚动体 在 高 速 运 转 的 状 态 下 可 以简 化 为 环 形 ，
理论依 据 。
关键 词 ： 电主 轴 ； 限元 分析 ； 结构特 性 有 热一 中图分类 号 ： Ｈ１ ； Ｇ ５ Ｔ ６ Ｔ ６ 文献标 识码 ： Ａ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｓ ａ ｃ ｎ Ｔｈｅ ｍ ａ － ｒ ｃ ｕｒ ｌＣｈａ ａ ｔ ｒ ｓｉｓ ｆ ｉ ｈ Ｓｐ ｅ ｏ ｏ ｉｅ ｐｉ ｄｌ ｒ ｌＳｔ ｕ ｔ ａ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｏｒ Ｈ ｇ ｅ ｄ Ｍ ｔ ｒｚ ｄ Ｓ ｎ ｅ
Ｆｉ ａｌ ，ｉ ｎ ｌｚ ｓｔ ｅ ｄ ｓｒｂ ｔ ｆｔｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｎ ｈ ｒ ａ ｅ ｏ ｍ ａｉ ｎ ｆ ｒｔｅ ｍ ｏ ｏ ｉｅ ｐ ｎ ｌ ｙ － ｎ ｌ ｙ ｔａ ａｙ ｅ ｈ ｉｔｉ ｕｉ ｏ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｍ ｌｄ ｆ ｒ ｔｏ ｏ ｈ ｔ ｒｚ ｄ ｓ ｉ ｄ ｅ ｓ ｓ ｏｎ
Ａｂｓｒ ｃ ：Ｔｈ ｓ ａ ｔｃｅ ｄ ｓ ｕ ｓ ｓ ｍ ｏ ｅｉ ｇ ｆ ｒ ｈｅ ｍ ｏ ｏ ｉ ｅ ｐ ｎ ｌ ｆ ＣＸ ８ ５ ｕ ｎ— ｉｌ ｏ ｔａｔ ｉ ｒｉｌ ｉｃ ｓｅ ｄ ｌｎ ｏ ｔ ｔ ｒｚ ｄ ｓ ｉ ｄ ｅ ｏ ０７ ｔ ｒ ｍ ｌ ｎｇ ｃ ｍｂｉ ｄ ｉ ｎｅ
４ ０ ０ ；２ 安 阳鑫 盛 机 床 股 份 有 限 公 司， 南 安 阳 ５０１ ． 河
摘 要 ： 章讨论 了对 Ｃ ８ ７ 文 Ｘ ０ ５车铣 复合 加 工 中心 高速 电主 轴 的 建模 ， 并利 用有 限元软 件 Ａ Ａ Ｕ Ｂ Ｑ Ｓ分 析其 热一 结构特 性 ， 得到 电主 轴 系统 的温度 分 布 和 热 变形 情 况 ， 为进 一 步研 究机 床 的 热误 差 提供 了
ｔ ｒ ｎ ｓｅ ｄ — ｔ ｔ ｓ ｗｈ ｃ ｒ ｖ ｄ ｈ ｈｅ ｒ ａ ｉ ｏ ｆ ｒｈ ｒ ｒ ｓ ａ ｃ ｏ ｈ ｈ ｒ ａ ｒ ｏ ｆ ｔ ａ ｅ ｎ ｏ ｔ ａ ｙ ｓａ ｕ ， ｉ ｈ ｐ ｏ ｉ ｅ ｔ ｅ ｔ ｏ ｙ ｂ ｓｓ ｔ ｕ ｔ ｅ ｅ ｅ ｒ ｈ ｆ ｒ ｔ ｅ ｔ ｅ ｍ ｌ ｅ ｒ ｒ ｏ ｈｅ ｍ — ｃ ｉ ｅ． ｈｎ
１ ２ 主 轴轴 承的摩 擦 生热 ． 引起 轴 承发热 的原 因很 多 ， 也很 复 杂 ， 要有 滚 主
２ 电 主 轴 的 热一 结构 有 限 元分 析
电主轴 基 本 上 为 一 个 对 称 结 构 ， 次 分 析 中采 本
用 电 主 轴 模 型 的 一 半 来 进 行 分 析 研 究 。 首 先 在 Ｓｌ Ｗｏｋ ｏ ｄ ｒｓ中建 立一个 电主轴 的三 维 实体模 型 ， 后 ｉ 然
・
２ ６・
组 合 机 床 与 自动 化 加 工 技 术
第 １期
电主 轴 在 高 速运 转 的 时候 会 产 生 大 量 的 热 ， 但 最 主要 的热 源 可 以 分 为 两 个 部 分 ， 是 主 轴 电机 的 一 发 热 ， 是 主轴轴 承 的摩擦 生 热 。 二
１ １ 内 置 式 电 动 机 的 损 耗 生 热 ．
因为主轴 电机 损 失 的功 率 全 部 转 化 为 热 量 ， 则
额 定 的损 耗 功 率 为 ：
Ｐ ＝Ｐ ‘（ １一即） （） １
当 ｎ＜ ０ ０时 ： ２０
Ｍ， ６ ：１ ０×１ ￣ ｏ ￣ ０ ｆｄ ｏ （） ７
式 中 ， 为轴 承 中径 为考 虑 轴 承结 构 和润 滑 ｄ 方 式 的系数 ； 为工作 温 度下 的润 滑 油 的运 动粘 度 ； ｎ 为轴 承转速 。
Ｃ ｃ ｉｅｃ ｎｅ ，ａ ａｙ ｅ ｔ ｔｅｍａ—ｔ ｃｕ ａ ｃ ａａ ｔｒｓ ｃ ｙ ｕ ｅ ｏ ＡＱＵＳ Ｆ Ａ ｏｔ ｒ ． ＮＣ ｍａ ｈｎ ｅ ｔｒ ｎ ｌｓｓｉ ｈ ｒ ｌ ｒ ｔｒｌ ｈ ｒｃｅｉ ｉｓｂ ｓ ｆＡＢ ｓ ｓｕ ｔ Ｅ ｓｆ ｗａｅ
１ ３ 电 主 轴 的 传 热 机 制 ．
式 中 ， 为 电机额定 功率 ； Ｐ 叼为 电机额 定 效 率 。其 中 ２ ３的热量 由电机定 子产 生 ， ／ 另外 １ ３由电机转 子产 ／
生 。
生 热率 ｑ指 单 位 体 积 的生 热 量 ， 用 如 下 公 式 使
计算 ：
ｑ ／ ＝Ｑ Ｖ （） ２
ＳＵ Ｙｕ ｆ ｎ ， ＹＵＡＮ ｅ ｘｎ —ｅ ｇ Ｗ ｎ— ｉ ， Ｌ Ｕ Ｄｅ ｐ ｎ ， Ｌ Ｕ ｕ—ａ Ｉ ．ｉｇ Ｉ Ｗ ｆ ， Ｗ ＡＮＧ Ｙｕ— ｎ ｐｉｇ
（ ． ｅｅｒｈＩｓ ｔｔ ｏ ｃ ａ ｏ ｉ ， ｈ ｎ ｚｏ ｎｖｒ ｔ， ｈｎ ｚｏ ５ ０ Ｃ ｉａ ２ Ａ ｙｎ ｉ— １ Ｒ ｓａｃ ｎｔｕｅ ｆ ｉ Ｍｅｈ ｔ ｎｃ Ｚ ｅｇｈｕＵ ｉ ｓ ｙ Ｚ ｅｇｈｕ４ ０ ０ ， ｈｎ ； ． ｎａ ｇＸ ｎ ｒ ｓ ｅｉ １ ｓｅｇＭａｈｎ ｏｌ Ｏ ，Ｌ Ｄ，Ａ ｙ ｎ ｅ ａ ５ ０ ０ Ｃ ｉａ ｈ ｎ ｃ ｉｅＴ ｏ Ｃ ． Ｔ ｎ ａ ｇＨ ｎ ｎ４ ５ ０ ， ｈｎ ）
高速电主轴及其结构
高速电主轴及其结构报告姓名：周李念学号：20122449班级：机自实验04班重庆大学机械工程学院高速电主轴及其结构周李念（重庆大学机械工程学院机自实验04班）摘要：高速加工能显著地提高生产率、降低生产成本和提高产品加工质量，是制造业发展的重要趋势，也是一项非常有前景的先进制造技术。
实现高速加工的首要条件是高质量的高速机床，而高速机床的核心部件是高速电主轴单元，它实现了机床的“零传动”，简化了结构，提高了机床的动态响应速度，是一种新型的机械结构形式，其性能好坏在很大程度上决定了整台机床的加工精度和生产效率。
关键词：高速加工；电主轴；结构设计1 高速电主轴概述高速电主轴最早是用于磨削机床加工，逐步发展到加工中心电主轴及其他各行业机床主轴.典型的磨削电主轴的结构如图1 所示，传统的主轴一般是通过传动带、齿轮来进行传动驱动，而电主轴的驱动是将异步电机直接装入主轴内部，通过驱动电源直接驱动主轴进行工作，以实现机床主轴系统的零传动，形成“直接传动主轴”.从而减少中间皮带或者齿轮机械传动等环节，实现了机械与电机一体的主轴单元.电主轴不但减少了中间环节存在的打滑、振动和噪音的因素，也加速了主轴在高速领域的快速发展，成为满足高速切削，实现高速加工的最佳方案，其高转速、高精度、高刚性、低噪音、低温升、结构紧凑、易于平衡、安装方便、传动效率高等优点，使它在超高速切削机床上得到广泛的应用［1］..1 转轴；2 前轴承组；3 定子部件；4 转子部件；5 后轴承组；6 进-出水孔；7 进油孔；8 接线座；9 出油孔图1 电主轴结构简图高速电主轴的优点：高速电主轴取消了由电机驱动主轴旋转工作的中间变速和传动装置（如齿轮、皮带、联轴节等），因此高速电主轴具有如下优点：（1）主轴由内装式电机直接驱动，省去了中间传动环节，机械结构简单、紧凑，噪声低，主轴振动小，回转精度高，快速响应性好，机械效率高；（2）电主轴系统减少了高精密齿轮等关键零件，消除了齿轮传动误差，运行时更加平稳；（3）采用交流变频调速和矢量控制技术，输出功率大，调速范围宽，功率—扭矩特性好，可在额定转速范围实现无级调速，以适应各种负载和工况变化的需要；（4）可实现精确的主轴定位，并实现很高的速度、加速度及定角度快速准停，动态精度和稳定性好，可满足高速切削和精密加工的需要；（5）大幅度缩短了加工时间，只有原来的约 1/4；（6）加工表面质量高，无需再进行打磨等表面处理工序；2 高速电主轴的结构［2］高速电主轴要求具备很高的工作性能，因此对其结构的设计、材质、加工工艺和检验等方面都有非常严格的要求.电主轴设计时，需要确定主轴的总体性能参数、主轴的实际结构（根据轴承形式、配置、驱动方法、润滑、等参数来确定）、主轴轴承的选型确认、轴承的寿命、主轴的刚度、危险速度、轴承游隙（预紧力）、主轴的尺寸（轴径、长度、轴承支距等）和主轴实际安装条件的要求等等因素.2.1 电主轴的转轴及要求转轴是高速电主轴的主要零件之一，转轴的材料一般是经过轧制或锻造经切削加工的碳素钢或合金钢.它用来安装各种传动零件，使之绕其轴线转动，传递转矩或回转运动，并通过轴承与主轴机架或机座相联接.转轴带动工件或刀具旋转，完成表面成型运动，承受切削和驱动等载荷的作用.因此，对轴有很高的技术要求，应满足下列几方面的要求：(1) 节约材料，减轻重量，在特殊情况下选用合适的具有耐腐蚀性和耐高温性的材料；(2) 在结构上要受力合理、尽量避免或减少应力集中现象；(3) 提高足够的强度（静强度和疲劳强度）和刚度的结构措施；(4) 转轴在高速时的振动稳定性及良好的加工工艺性，保证精度要求；(5) 易于各个零件在轴上精确定位、稳固、装配、装拆和调整方便.1 转轴；2 前轴承组件；3 平衡环；4 转子部件；5 后轴承组件图2 转轴结构简图.在一般情况下，转轴结构为阶梯形，将内装的电机转子部件与转轴联接在一起形成整体部件，如图2 所示.该转轴部件最大的优点是前后轴承组件、电机转子部件、平衡环均采用先进的感应加热下套工艺方法进行组装，无键槽的设计工艺方法，不但增加了转轴的刚度，同时，通过平衡环调整转轴整体动平衡量，最大限度地降低了转轴在旋转时由于偏心造成的振动和偏差.2.2 电主轴的电动机技术电主轴将机床主轴与电机合二为一，形成内装式主轴驱动系统，是机床的核心关键部件之一，它不但要实现高速、高精度、高刚度等要求，还必须要实现连续工作时输出的较大转矩力和承受较宽领域的恒功率运转范围.尤其是在转速要求较高且加减速操作频繁的领域，如加工中心、铣镗床、磨床、钻床等领域..内装式主轴电机结构紧凑，简化了机床的构造.因为转子安装在主轴上，降低了转轴在旋转时由于偏心造成的振动和偏差，而且获得较短的起动时间和制动时间，恒功率调速范围宽、噪声小、维修简单.但是，电机也是一个很大的发热源，要控制电机的温度，安装时最好选用有水冷的水套结构最佳.2.3 电主轴的轴承技术轴承是高速电主轴的重要组成部分，它的类型、配置、精度对电主轴的工作性能、旋转精度有着很大的影响.电主轴一般采用角接触球轴承，主轴在高速旋转时，离心力引起的内圈膨胀、球旋转时离心力会引起内部负荷以及内外圈的温度差等均会使轴承内部的球和内外圈滚道之间的接触应力增大.而且，采用角接触球轴承这样有着接触角的轴承，在旋转中伴随着自转滑动和旋转时的滑动等各种形式的滑动而产生滚动接触，这些滑动随着转速增加而加大，因此接触部分的发热也会变大，特别是采用油脂润滑的轴承，由于润滑油的粘度下降，有时候甚至会出现缺少润滑油膜而烧伤的情况.高速电主轴轴承的选用要根据切削负荷大小、形式和转速的要求，优先选用陶瓷触球轴承.与钢球轴承相比，陶瓷球轴承优点有：（1）钢与陶瓷组成的陶瓷球轴承摩擦性能特好，能降低材料与润滑剂的应力；（2）因密度较低，可降低运转时的离心力；（3）较低的热膨胀系数能有效的降低轴承预压负荷的变化；（4）较高的弹性模数，使轴承的刚性更高.陶瓷球轴承在高速及重载的条件下，可获得高刚度、低温升和长寿命的效果，可以提高主轴的整体精度.2.4. 冷却技术高速电主轴旋转过程中产生的发热和温升问题是高速电主轴研究的一个重点。
分析高速机床电主轴的热管冷却
分析高速机床电主轴的热管冷却摘要高速机床相对于传统的加工机床来说具更高的加工速度以及较优秀的零件精度及切削表面质量，为现代化的机械加工业提供更优质的服务。
但是由于高速机床在工作的过程中，是由电主轴的高速旋转来完成工作的，在这一进程中产生了大量的热量，温度的升高使得机械产生热膨胀，从而使得零件的制造精度降低，误差较大，因此采取有效的降温措施是保证高速机床正常工作的必然选择。
本文中主要针对高速机床电主轴的热管冷却进行了详细的分析及探讨。
关键词：高速机床；电主轴；热管冷却高速机床在使用的过程当中，处于高速旋转状态下的电主轴的各个零件都会表现为或强或热的发热现象，如果不采取及时且有效的冷却措施，就会使得电主轴与机床中的其它结构的相对位置等参数相较于正常运转状态存在较大的误差，特别是电主轴发生较强的热膨胀时，会严重的影响着零件的加工误差，此外，由于温度得不到很好的控制，也会使得电主轴过热而发生局部的应用变化等，等而减少高速电主轴的使用寿命，增加了生产成本，因此应采用合理的冷却系统，提高电主轴的冷却水平，从而更有利于稳定机械加工质量，保护高速机床设备。
1.创新高速电主轴冷却系统的必要性分析在当今我国使用的高速机床中，在进行高速主轴冷却工作时，大多数是采用在主轴壳体内添加冷却油的形式来实现的，这些冷却油在主轴的工作过程中得到不断的循环，从而将热量带下次，达到主轴冷却的最终目的。
在具体的工作中，这些冷却油在油温控制器的控制下，经前端盖处的入水口，流入到前端轴承外围，并完成对前端轴承的冷却工作，随后再流向主轴的定子及后轴承，完成相应的冷却任务后，再流回主轴油温控制品，这一流程的结束即完成了一次冷却循环。
高带电主轴在工作中之所以会发出热量，究其原因主要是其存以以下的发热源，首先位于机床主轴结构中的主轴电动机高速旋转而发出的热量，是其内部结构的主要热量来源；其次，由于电动机在主轴壳体内的高速转动使得壳体内的空气发热，同时再通过主轴壳体等散发了出去，这使得主轴的温度有所升高，甚至于其使用寿命也会有所缩短，零件的加工精度也得不到有效保证；最后，在转动过程中，主轴轴承摩擦所产生的热能也是热源之一。
高速木工机械电主轴热态特性分析
计 ， 电主 轴 中 的 Ｈ Ｋ拉 刀 机 构及 后 支 座 不参 加 有 Ｓ
速木 工机 械 电主轴 的两 个 主要 内部 热 源．
２ １ 内装 式 电 动 机 的 损 耗 发 热 ．
对 于 角 接触 球 轴 承 ， 当量 静载 荷 按 下 述 两式 其
计 算 ， 取 其 中较大 值． 并
电 机 转 子 和 定 子 的 发 热 来 源 于 电 机 的 损 耗 ．电 机 的 损 耗 一 般 分 为 ４类 ： 械 损 耗 、 损 耗 、 损 耗 机 磁 电
Ｐ。 ． Ｆ ＝１ ４ 一０ １ ， ． Ｆ， （） ５
式 （） ，， １ 中 Ｑ—— 轴 承 摩擦 发热 量 ， Ｗ；
— —
摩擦 总 力矩 ， ｍ Ｎ・ ｍ；
Ｐ 为 决定 轴 承摩 擦力 矩 的计算 载荷 ， ． Ｎ
轴 承 中 径 ｄ （ ｍ） ｍ 为
矗 ： ，
１ ）主轴 密 封 要 求 比一 般 电 主轴 要 求 更 高 ．因
收 稿 日期 ： ０ ９—０ 一ｌ ２０ ９ ４ 作 者 简 介 ：王 娟 ， ， 士 研究 生 ， 究 方 向 为 高速 木 工 机 械 电 主轴 空 载 热 平衡 问题 ； 女 硕 研
汤晓华 ， ， 授 ， 男 教 主要 从 事 机 电 一 体化 及 视 频 检 测 技术 方 面 的 研 究 ．通 讯 作者
— —
荷大小 及 轴承 转速 有关 的摩 擦 力 矩 分量 ．在 滚 动轴
1401015110-高速电主轴论文
数控机床高速电主轴结构分析及应用范洪达（1401015110）沈阳理工大学摘要: 本文阐述了高速电主轴的特点，然后根据结构简图详细叙述其工作原理，最后分析了高速电主轴由于结构紧凑带来的一些关键技术问题，并提出了解决办法。
关键词: 高速加工电主轴数控机床中图分类号：TG156CNC high speed motorized spindle structure analysis andapplicationFAN Hongda of shenyang university of technology (1401015110)Abstract：This paper expounds the characteristics of high speed motorized spindle, then according to the diagram structure detail its working principle, finally analyzes the high-speed motorized spindle due to compact structure with some of the key technical problems, and puts forward the solution.Key：High speed machining motorized spindle Nc machine toolChinese library classification number:TG1560 前言：高速电主轴是高速机床的核心部件，它将机床主轴与变频电动机轴合二为一，即将主轴电动机的定子、转子直接装入主轴组件内部，也被称为内装式电主轴，其间不再使用皮带或齿轮传动副，从而实现机床主轴系统的“零传动”其具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，并改善了机床的动平衡，避免了振动和噪声，在超高速机床中得到广泛应用。
高速磨削电主轴热-结构耦合有限元分析与仿真
高速磨削电主轴热-结构耦合有限元分析与仿真王鹏;李文斌【摘要】在高速磨削加工中,电主轴的热结构状态直接影响高速加工机床的加工尺寸精度和表面质量.这篇文章利用传统理论对高速磨削电主轴进行了热-结构耦合分析,分别计算热稳态下主轴各种边界条件,在理论研究的基础上结合有限元软件进行热-结构耦合仿真分析,得到电主轴热变形主要与电机损耗、轴承发热与冷却液系统有关的结论.这一结论充分说明引起电主轴变形的主要因素,为今后在试验中建立电主轴热补偿体系以及减少热变形提供了有力的理论支持.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2016(000)012【总页数】4页(P146-149)【关键词】高速磨削电主轴;热-结构耦合;有限元;热变形;热补偿体系【作者】王鹏;李文斌【作者单位】太原理工大学机械工程学院,山西太原030024;太原理工大学机械工程学院,山西太原030024【正文语种】中文【中图分类】TH16;TH161高速加工技术作为当代先进制造技术中的一个主要发展方向，以高速度、高精度为主要特征，是继数控加工技术之后，传统切削加工技术中的有一次革命性的飞跃。
为满足高速磨削加工的需求，高速磨削电主轴得到逐步应用并成为了高速磨削加工中的核心部件。
作为核心部件，电主轴的加工稳定性和加工精度日益受到加工制造业的关注[1]。
电主轴处在高速加工过程时，电机和轴承会产生大量热量，引起主轴的热变形，如果不能有效的控制主轴的发热变形，将严重影响高速磨削机床的加工精度和表面质量。
因此，磨削电主轴的热结构耦合分析，是保证机床加工精度和表面质量的重要理论基础[2]。
2.1 热源分析与计算电主轴主要构件及其结构，如图1所示。
高速磨削电主轴内部热源主要有两个，一个是无外壳主轴电动机的损耗发热，另一个是轴承的摩擦生热。
2.1.1 无外壳主轴电机热量计算高速磨削电主轴使用无外壳内置电机，其定子和转子热量主要是电机损耗产生的。
本次试验用高速磨削电主轴的最高转速为15000r/min，额定转速为4500r/min，额定功率11kW，功率损耗率为25%，损耗功率为2.75kW。
高速加工中心电主轴热态特性研究
［ ］ 王 铁 山 ， 波 ． 车 摩 擦 材 料 测 试 技 术 ［ ． 春 ： 林 科 １ 曲 汽 Ｍ］ 长 吉
学 技 术 出版 社 。 ０ ． ２ ５ ０
和 △ ，的 要 求 ， 且 飞 轮 数 量 比 较 合 适 。 而
４ 讨 论 与 结 论
限 于 笔 者 知 识 的 局 限 ，没 能 对 飞 轮 进 行 断 裂 力 学
构强度 满 足要求 。
２）飞 轮 爆 裂 的 临 界 转 速 为 ２ ５ ０ ｒｍｉ 。 ０ ／ ｎ
【 ］ 郭 振 字 ， 敏 ． 于 差 异 演 化 算 法 的 高 速 储 能 飞 轮 形 状 优 ５ 叶 基
化 设 计 ［］ Ｊ． 吉林 大学 学 报 （ 工学 版 ）２ ０ ，８ １ ：０ ８ ． ，０ ８３ （ ）８ — ３
度 和 价 格 能 量 密 度 。 但 优 化 为 工 字 型 飞 轮 会 增 加 飞 轮 的 轴 向 尺 寸 ， 而 加 大 台 架 长 度 方 向 的 尺 寸 。 用 车 间 从 占
空 间会加 大 。
现 采 用 等 差 等 比综 合 法 确 定 飞 轮 惯 量 ：等 比级 差
Ａ／ － ｇ・ ２ Ｉ ＝ ｇ・ ￣ ｏ ｋ ｍ２ １ ＝ ０ ｋｇ・ ２ ／＝２ － ｋ ｍ １ ５ ｋ ｍ２ Ｉ＝１ ｇ・ ３ ２ ２ ｍ ￣４ ０
高速电主轴热态性能分析
之 后 使 制 造技 术产 生 第 二 次革 命 性 飞 跃 的 一 项 高
新 技 术 。实 现 高速 加 工 的关 键是 要 有 高速 机床 ，
电 机 的 损 耗 一 般 分 为 ４类 ：机 械 损 耗 、 电 损 耗 、 磁 损 耗 和 附 加 损 耗 。前 三 类 损 耗 通 常 称 为 主 要 损
耗 。 附 加 损 耗 在 总 的 损 耗 中所 占 的 比例 很 小 ，约
为 额定 功率 的 １～ ５ ％ 。
２２ 轴承 的发 热 ．
０ 引言
以高 速 度 、高 精 度 、大 进 给 为 主 要 特 征 的 高
速 加 工 是 当 代 先进 制 造 技 术 之 一 ，是 继 数 控 技 术
定 扭矩 为 ６ Ｎ ４ ｍ。该 主 轴前 端 采 用 两 套 “ 背靠 背 ”
式 的 角 接 触 轴 承 ，在 主 轴 后 端 采 用 一深 沟球 轴 承
第３ 卷 第 １ ３ 期
２ １ － （ ） ［４ ］ ０ １ １ 上 １ １
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３４ 电主轴 前 、后密封 环 的对 流换 热 系数 ． 电主 轴前 、后密 封环气 隙 中有轴 向流动 的气
体 ，热交换 的情 况 比较 复 杂 。由于气隙很 小 （ 为 约
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（） Ｊ； 为 决定轴 承摩擦 力矩 ｅ 的计算 载荷 。 ＋
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高速数控机床电主轴热误差机理分析
２ 热误差分析与建模国外研究现状
我国对热误差的机理分析起步较晚，对热误差的建模分析也相 对较晚，直到上世纪的七十年代中期，才开始对机床热变形以及误 差补偿技术进行探索研究。八十年代后期，浙江大学确定了热误差 的机理分析系统方式，并根据热弹性理推算出了相关的计算公式， 随后又建立了精密机械热模态理论，进一步加强了热误差的机理分 析，到九十年代初，“热耦合度”和“热敏感度”两个更为准确的 新兴概念相继提出，并进行了定量分析。同时代，根据模糊、非线 性特性的热误差变化规律特点，机床热误差模糊前馈补偿控制策略 也逐渐成形。到了九十年代末，已然形成了系统的优化试验设计法 和热误差鲁棒建模综合极值法，从而不仅优化了统计理论，还加强 了工程判断性。并且结合机床结构以及众多经验，使热误差机理分 析得到了系统的阐述方式。并针对传感器的布置，设计出了大量的 控制装置，成功的将热传感器从１６个减少到４个，为热误差的机理 分析提供了更为精确的保障。直到２０００年初，多元线性回归模型 理念诞生。不同类型的神经网络成为了模型的软件补偿方法，通过 计算与数据统计，真正做到了提前预报超过７０％的热误差变形数 据。２００６年，科研人员通过借鉴气体流动传热学理论，完整的模 拟出了主轴表面的热交换理论，并通过计算机床的运动过程，系统 的确定了具体参数。同时国内为了对热误差机理进行系统性的分 析，还组建了混合预测建模方法的科研队伍。２００９年，最新的 “热误差的最优线性组合”建模理念被提出。该方法通过线性和的 方式对基于不同数学理论所建立的热误差模型进行综合，并以不同 拓扑结构及训练算法的反向传播（ＢＰ）神经网络为例，建立了最 优线性组合神经网络。 热误差建模。通过对电主轴的热误差补偿，我们不难发现，在 这一过程中其成败效果完全取决于鲁棒性和预报精度。所以加工条 件、加工周期、周围环境、冷却液都可以直接影响电主轴单元热误 差，所以很难建立一个精确的数学模型进行全面描述。目前有两种 热误差建模方法：数值分析法和经验建模法。数值分析法是研究分 析用计算机求解数学计算问题的数值计算方法及其理论的学科，是 数学的一个分支，它以数字计算机求解数学问题的理论和方法为研 究对象。数值分析法由于电主轴各零部件间的边界条件非常复杂难 以精确计算而仅能进行定性分析。经验建模法是不分析实际过程的 机理，而是利用实验测得的与过程有关的热误差数据和电主轴温度 值进行数理统计分析，按误差最小原则，归纳出该过程各参数和变 量之间的数学模型。近年来，国内外学者广泛采用经验建模法建立 热误差模型。常用的热误差模型有多变量回归分析模型、神经网络 模型、综合最小二乘建模法、正交试验设计建模法、递推建模法等 等。这些热误差模型对热误差补偿研究都起到了巨大的推动作用， 但它们自身也都有亟待解决的缺陷。根据自变量的类型，热误差模 型可分为两种：独立于温度的热误差模型和依赖于温度的热误差模 型；根据模型是否考虑时间可分为静态热误差模型和动态热误差模
基于热流网络法的电主轴支撑系统热特性研究
收稿 日期 ： ２ ０ １ ２— ０ ８— ２ ９
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河 南 科 技 大 学 学 报 ：自 然 科 学 版
Ｈ ＝１ ． ０ ４ ７ ×１ ０～ｎ Ｍ，
（； ｎ为 主轴 转速 ， ｒ ／ ｍ ｉ ｎ ； Ｍ 为轴承 总摩擦 力矩 ， Ｎ・ ｍ ｍ。
为 一 体 的支 撑 系统 热传 递 模 型 。 计算 和 分 析 了不 同工 作 转 速 和 载 荷 下 的 支撑 系 统 温 度 场 分 布 情 况 。研 究 结 果表 明： 速 度 对 支 撑 系 统 温 升 及 温 度 分 布 影 响最 大 ， 轴 向载 荷 和 径 向 载 荷 对 支 撑 系 统 温 升 及 温 度 分 布 影 响 相 同， 温 度 最 高 点 位 于 轴 承 的 球 和 内滚 道 接 触 区域 上 。 仿 真 结 果 和 计 算 结 果 的 误 差 小 于 ４ ． ５ ％， 这 说 明所 建 立 的 温 度 节 点 模 型 是 可靠 的 ， 可 为 下 一 步 计 算 和分 析 电 主 轴 热 变 形 提 供 依 据 。
ＶＯ Ｉ ． ３ ４ ＮＯ ． ２ Ａｐ ｒ ． ２０１ ３
文章 编号 ： １ ６ ７ ２— ６ ８ ７ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２— ０ ０ １ ７— ０ ５
基 于热 流 网络 法 的 电主轴 支 撑 系统 热 特 性 研 究
胡 伟 奇 ， 段 明德 ， 汪 玉 平 ， 梁 国利 ， 李 凌 鑫
关键词 ： 电 主轴 ； 热 流 网络 法 ； 支撑系统 ； 温 度 分 布
中图 分 类 号 ： ＴＨ１ ３ ３ 文献标志码 ： Ａ
０ 引 言
在高 速精密加工 中， 由机床 热变形引起 的制造误 差 占总误 差 的 ６ ０ ％～ ７ ０ ％ 。高速 电 主轴是 高速精 密机床 的核心部件 ， 也是机床 的主要热源 ， 因此 ， 对 电主轴的温度 场进行 建模 分析 、 减 小 电主轴 的温度 场分
详解高速电机的特性及工作原理
电动机保护器电动机保护器的作用是给电机全面的保护控制，在电机出现过流、欠流、断相、堵转、短路、过压、欠压、漏电、三相不平衡、过热、接地、轴承磨损、定转子偏心时、绕组老化予以报警或保护控制。
主要种类（一）热继电器是五十年代初引进苏联技术开发的金属片机械式电动机过载保护器。
它在保护电动机过载方面具有反时限性能和结构简单的特点。
但存在功能少，无断相保护，对电机发生通风不畅，扫膛、堵转、长期过载；频繁启动等故障不起保护作用。
这主要是因为热继电器动作曲线和电动机实际保护曲线不一致，失去了保护作用。
且重复性能差，大电流过载或短路故障后不能再次使用，调整误差大、易受环境温度的影响误动或拒动，功耗大、耗材多、性能指标落后等缺陷。
（二）温度继电器是采用双金属片制成的盘式或其他形式的继电器，具有结构简单、动作可靠，保护范围广泛等优点，但动作缓慢，返回时间长，3KW以上的三角形接法电动机不宜使用。
如今在电风扇、电冰箱、空调压缩机等方面大量使用。
温度继电器与热继电器不同。
温度继电器是装在电动机内部，靠温度变化时期动作的。
而热继电器装在动力线上，靠电流热效应动作的。
（三）电子式电动机保护器已由晶体管发展到集成电路至今已发展到微处理芯片厚模电路，从功能上一般分为断相保护、综合保护（多功能保护）、温度保护和智能保护。
此类保护器具有节能、动作灵敏、精确度高、耐冲击振动，重复性好、保护功能齐全、功耗小等优点。
1.电动机保护器（电机保护器）是以检测线电流的变化（包括采取、正序、负序、零序和过流）为原则，可检测断相或过载信号。
除具有断相保护功能外，还具有过负荷、堵转保护功能。
2.智能保护：集保护、遥测、通讯、遥控与一体的电动机保护装置，对电动机发生断相、过载、短路、欠压、过压和漏电等故障时实现保护，还具有电流电压显示，时间控制，软件自诊断，来电自恢复，自启动顺序，故障记忆，自琐和远传报警，显示故障时的电流、电压故障前后用代号闪烁示警，配置RS485通讯接口，实现计算机联网。