高速电主轴热态特性的研究
高速电主轴动态特性及其对加工稳定性的影响.ppt
阻尼的影响 因为所用电主轴两个横向方向的模态参数很接
近，因此只考虑了一个方向上的横向振动。
法向前角
φn()
表 铣削系统刀具及加工参数
螺旋角 刀齿数 刀具半径ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
η（°）
R（mm）
Kt
( Mpa )
进给率f （mm/齿）
摩擦系数 μ
6
40
4
5
1800
0.127
0.2
不同阻尼比下的稳定性极限图见图，由图可知阻尼 比越大，对应的轴向临界铣削深度越大。
• 在切削加工条件和阻尼一定的情况下，刀具端点的等效刚 度越大，其对应的临界铣削深度越大，系统越稳定。
• 主轴系统随转速变化后的动态特性主要由于轴承软化引起 的，轴承刚度的软化主要影响系统前两阶带有刚体运动的 模态，而对以后的弯曲模态影响较小。
• 考虑主轴随转速变化后的动态特性后，系统的最小临界铣 削深度降低，且稳定性叶瓣图相对静态时发生偏移，静态 下稳定性比较强的速度区间往往在动态稳定性图中不再是 稳定性较强的速度区间。考虑电主轴动态特性可以更好的 预测铣削系统的稳定性。
图 电主轴系统阻尼的影响
电主轴动态特性的影响
图 固有频率随转速的变化 反映了刀具悬长为40mm时主轴系统固有频率和刀具端点等效刚 度随转速的变化。当转速提高，系统一、二阶固有频率有较大降低， 三阶固有频率变化不大。
结论
• 主轴系统的阻尼比对轴向临界铣削深度特别是最小轴向临 界铣削深度有显著的影响，主轴系统阻尼越大，最小轴向 临界铣削深度越高，在稳定性预测中可以结合试验来确定 主轴系统的阻尼，
超高速主轴单元温升特性分析
超高速主轴单元温升特性分析
超高速主轴单元温升特性分析
对超高速主轴单元的内部热源进行了分析与计算,建立了超高速主轴单元温度场的有限元分析模型,利用ANSYS软件对其进行了温度场分析,并在此基础上研究了对轴承外圈进行强制冷却时前后轴承的温升情况,结果表明对轴承外圈进行强制冷却能够很好的降低轴承的温升.
作者：王猷严宏志 WANG You YAN Hong-zhi 作者单位：中南大学机电工程学院,湖南,410083 刊名：航空精密制造技术 ISTIC英文刊名：AVIATION PRECISION MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)：2007 43(6) 分类号：V233.4 关键词：超高速主轴单元温度场轴承温升。
电主轴助力高精高速高效加工——我国高性能机床主轴技术现状分析
径向刚度＞ ０ ｉ。湖南大学针对超高速外圆／ ５０Ｎ・ ｎ 凸
轮轴 磨 床 开 发 了 电动机 内 置式 液 体 （ ）静 压 电主 动 轴 ，额 定 功率 和 最 高 转 速 达 ３ ｋ 、 １ ０ ｒ ｎ ５Ｗ ０Ｏ ０／ ， ｍｉ
国际先进水平 ：在Ｐ Ｂ Ｃ 板高速钻削用电主轴领 域 ，已大面积推广应用１０００ ８ ０ ｒ ｎ ２ ～１０００／ 气静压 ０ ｍｉ
现代工业对机床加工精度和加工效率要求的不断提
高 ，机 床 对 主轴 性 能 的要 求 也 越 来越 高 ，传统 的 高 速主 轴 概 念 已难 以 充分 描 述 机 床 主轴 的 技 术 内涵 。
磨损小 ，寿命长 ，在精密超精密机床上获得 了广泛
应 用 ，其 主 要技 术 难 点 在于 控 制 高 速 时主 轴 的 温 升 和 热变 形 。气体 轴 承 电主轴 以 “ 膜 ”作 为 支 撑 ， 气
Ｏ ６ ，
参磊‘ ‘ 加 ，两 Ｉ 朋 Ｉ 。 冷 工 。— 冲 ，
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用 油 气 润 滑 和 强 制 水 冷 方 式 。 沈 阳 建 筑 大 学 开 发 限 公 司开 发 了系 列 （ ）静 压 主 轴产 品 ，额 定 功率 动
高 速大功 率 陶瓷 球轴 承 电主轴单元 最高转 速达 到
我国高性能机床主轴技术 现状分析
湖 南大学国家 高效磨 削工程 中心教 授 熊万 里
优 点 ，其 极 限转 速 高 、精 度 高 、刚 度 高 ，在 加 工 中
高性能机床主轴概述
机 床 主 轴是 机 床 的 核 心部 件 ，其 功 能是 带 动 刀 具 （ 轮 ）或 工件 旋 转 ，实 现 高 速精 密加 工 。随 着 砂
具 有轴 承动 态 预 紧 调 整 功 能 。 ③平 均 无 故 障运 行 时 间 ≥５Ｏ ０ 。 ④主 轴 回转 精 度 ＜ １ ｍ。⑤轴 系统 ０ｈ ． ０ 刚 度 ≥３ ０ Ｉ。 ⑥动 平 衡 精 度 Ｇ ．级 。⑦ 恒 功 ０ Ｎ・ Ｔ Ｉ Ｏ４
数控铣床电主轴系统设计说明书
目录引言 (1)1.数控铣床简介 (3)1.1.数控铣床组成 (3)1.2.数控铣床的工作原理 (4)1.3数控铣床加工的特点 (4)1.4数控铣床加工的主要对象 (4)2.电主轴概述 (5)2.1电主轴的基本概念 (5)2.2电主轴单元关键技术 (6)2.2.1高速精密轴承技术 (6)2.2.2高速精密电主轴的动态性能和热态性能设计 (7)2.2.3高速电动机设计及驱动技术 (8)2.2.4高速电主轴的精密加工和精密装配技术 (8)2.2.5高速精密电主轴的润滑技术 (9)2.2.6高速精密电主轴的冷却技术 (9)2.3高速电主轴发展及现状 (9)2.3.1高速电主轴技术的发展及现状 (9)2.3.2主轴单元结构形式研究的发展 (11)2.4电主轴对高速加工技术及现代数控机床发展的意义 (12)2.5内装式电主轴系统的研究 (13)3.电主轴工作原理及结构 (16)3.1电主轴的基本结构 (16)3.1.1轴壳 (16)3.1.2转轴 (16)3.1.3轴承 (17)3.1.4定子及转子 (17)3.2电主轴的工作原理 (17)3.3电主轴的基本参数 (19)3.3.1电主轴的型号 (19)3.3.2转速 (19)3.3.3输出功率 (19)3.3.4 输出转矩 (19)3.3.5电主轴转矩和转速、功率的关系 (20)3.3.6 恒转速调速 (20)3.3.7 恒功率调速 (20)3.3.8 轴承中径 (20)3.4自动换刀装置 (21)4. 电主轴结构设计 (22)4.1主轴的设计 (22)4.1.1.铣削力的计算 (22)4.1.2 主轴当量直径的计算 (23)4.2高速电主轴单元结构参数静态估算 (23)4.2.1 高速电主轴单元结构静态估算的内容及目的 (23)4.2.2轴承的选择和基本参数 (23)4.3轴承的预紧 (24)4.4主轴轴承静刚度的计算 (24)4.4.1 主轴单元主要结构参数确定及刚度验算 (26)4.4.2主轴单元主要结构参数确定 (27)4.4.3主轴强度的校核 (32)4.4.4主轴刚度的校核 (34)4.4.5主轴的精密制造 (35)4.5主轴电机 (36)4.5.1电机选型 (36)4.6主轴轴承 (37)4.6.1轴承简介 (37)4.6.2陶瓷球轴承 (38)4.6.3陶瓷球轴承的典型结构 (40)4.7主轴轴承精度对主轴前端精度影响 (40)4.8拉刀机构设计 (41)4.8.1刀具接口 (41)4.8.2拉刀杆尺寸设计 (42)4.8.3夹具体结构尺寸设计 (43)4.8.4 松、拉刀位移的确定 (45)4.8.5碟型弹簧的设计及计算 (46)4.9HSK工具系统结构特点分析 (48)4.10HSK工具系统的静态刚度 (52)4.10.1 HSK工具系统的变形转角及极限弯矩 (52)5.电主轴的润滑及冷却 (55)5.1润滑介绍 (55)5.1.1润滑的作用和目的 (55)5.1.2 电主轴润滑的主要类型 (55)5.1.3 油气润滑的原理和优点 (57)5.2电主轴的冷却 (58)5.2.1电主轴的热源分析 (58)5.2.2电主轴的冷却方法 (59)5.3电主轴的防尘和密封 (60)6.电主轴的驱动和控制 (61)6.1恒转矩变频驱动和参数设置 (61)6.2恒功率变频驱动和参数设置 (62)6.3矢量控制驱动器的驱动和控制 (64)6.4普通变频器原理 (65)6.5本设计采用的变频器原理 (67)6.6主轴准停 (69)6.6.1主轴的准停功能 (69)6.6.2主轴准停的工作原理 (69)6.6.3主轴准停控制方法 (70)7．主轴动平衡 (72)7.1动平衡介绍 (72)7.2动平衡设计 (73)总结 (75)致谢 (76)参考文献 (77)引言高速机床是实现高速切削加工的前提和条件。
数控机床高速电主轴的性能研究
１ 高 速 电 主轴 的结 构 布 局 形 式
电主轴 作为 现 代 机 电 一体 化 的 功 能 部 件 ， 通 常装备 在 高速 机 床 上 ． 据 主 电 机 与 主 轴 轴 承 相 根 对位置 的 不 同， 速 电 主轴 单 元 主 要 有两 种 结 构 高 布 局设 计 方式 ： １ 主 电 机置 于 主 轴 前 、 轴 承 之 （） 后
率大 ， 适 合于 大 中 型 高 速 机 床 ； ２ 主 电机 置 于 较 （） 主轴 后轴 承之 后 ， 主轴 箱 和 主 电机 作 轴 向 的 同 即 轴 布置 ． 这种 方式 减 少 了 电主 轴 前端 的 悬伸 量 ， 电
的极 限频 率 下 降 ， 因此 高 速 电主 轴 的 动 平 衡 精 度
机 的散 热条 件 较 好 ， 整 个 电 主 轴单 元 的 出 力 较 但 小 ， 向尺 寸 大 ， 轴 常用 于 小 型 高速 数控 机 床 ．
４ 高 速 电主 轴 的性 能 实验
２ Ｚ—Ｉ 电 主 轴 由于 功 率 大 、 速 高 。 ＧＤ 型 转 没
收 稿 日期 ：０ ２—０ —０ ２０ ３ ６ 基 金 项 目 ： 宁 省 自然 科 学 基 金 资 助 项 目（ ０ ０ ３ 辽 ０２ ０） 作者简介 ： 显 明（９６ ， ， 级工程师 ． 戴 １５ 一） 男 高
维普资讯
２００２年 １０月
沈 阳 建 筑 工 程 学 院 学 报 （自 然 科 学 版 ）
Ｊ ｕｎ ｆＳ ｅ ｙ ｎ ｃ ｏ ｒ ａ ｏ ｈ ｎ ａ ｇ Ａｒｈ．ａ ｄ Ｃｉ．Ｅｎ ．Ｕｎｖ．（ ｔ ｒｌＳ ｉｎ ｅ ｌ ｎ ｖ ｇ ｉ Ｎａｕ ａ ｃｅ ｃ ）
铣镗床电主轴热变形研究
铣镗 床 电主 轴 热 变 形 研 究
口 昆 明 铁 路 机械 学 校 赵 雄 口 昆 明 金 殿 中 学 杨 云 霞
一
Ｑ｝
（ ２）
高 速铣 削加工 中 ，主轴 单元 的热变形 是影 响加工 精度 的
式 中 ：［ 为传导矩阵 ，包含 导热系数 、对流 系数及辐射
以 主 轴 运 转 达 到 热 平 衡 为 计 算 工 况 ， 设 定 以 下 边 界 为热 条 件 ：
源热功率。
采 用有 限元 法对 本 构 方 程 进 行 离 散 可 得 到 如 下 方 程 ：
（） １环境温度为２ ｃ ，主轴前后端初始温度为２ ｃ ０ｃ ０ｃ
（） 承 产 生 的摩 擦热 为 ：５ ０ Ｗｍ 。 ２轴 ０ ０
栏 目主持 ：黎 艳 投稿 信箱 ：Ｌ ＠ｉｎ ｖ ． ｍ． ｉ ｄ ｏ ｏｃ ｃ ｙ ｏ ａ
本 文以 电主轴 为研 究对象 ，采 用ｃ 理论分析 与试验研 究相结合的手段 和方法 ，对 电主轴这一典型 高速旋转 ＡＥ
结构 的热场 分布和 热变形进行了探索性研究 ，并提 出了主轴结构优化设计 的具体措施 。
主要因素。由于高速机 床主轴系统的精度和刚度都较高 ，负荷 率和形 状系数 ；［ ］ 比热矩 阵 ，考 虑系数 内能 的增加 ：｛ ｝ ｃ为 ｒ为 不是很大 ，主轴的弹性 变形常常较 小 ，而热变形可达到零件加 节 点温 度向量 ；｛ ｝ 为温度对时 间的导数 ［ 为节点热流率 Ｑ］
工 误 差 的 ６ ％～８ ％ 因 此 ，高 速 主 轴 必 须 具 有 良好 的 热 结 构 向量 ，包含热 生成。 ０ ０。 性 能。 同 时 主 轴 在 受 热 后 ，各 部 分 温 升 不 均 匀 ，产 生 不 同 程 度
高速电主轴冷却技术研究及应用探讨
高速电主轴冷却技术研究及应用探讨作者：程耀楠，张先鹏，张广鑫，姜文奇，李宝伟来源：《哈尔滨理工大学学报》2022年第03期摘要：针对高速电主轴高速化和结构集成化带来的温升控制等技术难题，对高速电主轴现有冷却技术成果进行系统分析和深入总结，主要从热源、传热机理以及内部生熱影响等方面对高速电主轴进行热特性分析;对高速电主轴关键部件的冷却技术进行阐述，基于被动冷却和主动冷却两种冷却方式，从电机、轴承、主轴方面深入分析和评述不同冷却方式在高速电主轴冷却技术中的方法、原理、优缺点以及应用;对当前更经济有效的冷却技术应用于工程实践以克服未来挑战的问题进行讨论，并对未来的发展趋势进行展望。
关键词：高速电主轴;温升控制;被动冷却;主动冷却;冷却技术DOI：10.15938/j.jhust.2022.03.001中图分类号： TG659文献标志码： A文章编号： 1007-2683（2022）03-0001-12Study and Application of Cooling Technologyfor High Speed Motorized SpindleCHENG Yao-nan，ZHANG Xian-peng，ZHANG Guang-xin，JIANG Wen-qi，LI Bao-wei（School of Mechanical Power Engineering， Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080）Abstract：For the high-speed motorized spindle high-speed and structural integration of the temperature rise control and other technical problems， the existing cooling technology achievements of high-speed motorized spindles are systematically analyzed and summarized in depth. The thermal characteristics of high-speed motorized spindles are mainly analyzed in terms of the heat sources，heat transfer mechanisms， and internal heat generation effects. The cooling technology of the main components of the high-speed motorized spindle is explained. Based on passive cooling and active cooling， the methods， principles， advantages and disadvantages and applications of different cooling methods in the high-speed motorized spindle cooling technology are analyzed and reviewed from the aspects of motor， bearing and spindle. This paper explores the more cost-effective and efficient cooling technologies currently used in engineering practice to address potential challenges and predicts future trends in growth.Keywords：high speed motorized spindle; temperature control; passive cooling; active cooling; cooling technology0引言机床行业带动了高速电机的发展，传统的低成本高速主轴采用皮带传动形式，其最大速度受到限制。
考虑气隙变化的高速电主轴热特性仿真
考虑气隙变化的高速电主轴热特性仿真李特;芮执元;雷春丽;郭俊锋;胡赤兵【摘要】为了解决电主轴高速旋转时结构变化引起的自身热特性改变的问题,提出离心膨胀和热膨胀会影响电主轴内定、转子间对流换热的观点.基于弹性力学理论,计算电主轴定、转子受离心力和热载荷而产生的径向膨胀量及由此导致的气隙变化量;根据对流换热理论得出离心力影响下泰勒数随转速和气隙长度的变化规律以及对流换热系数的变化规律.计算发现,气隙长度随定、转子的膨胀而减小,该减小量占设计值的37.7％;泰勒数随转速升高而增大,随气隙长度增大而减小;对流换热系数随气隙长度增加而降低,使得定、转子间传热受到抑制.结果表明,若能提高气隙间对流换热系数,适当提升油水冷却功率,能够大幅度降低主轴转子温升和热位移,提高加工精度.【期刊名称】《浙江大学学报（工学版）》【年(卷),期】2016(050)005【总页数】8页(P941-948)【关键词】高速电主轴;对流换热系数;气隙;温度分布;热变形【作者】李特;芮执元;雷春丽;郭俊锋;胡赤兵【作者单位】兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TH122;TH133电主轴的高速旋转不仅会导致大量生热,还会引发热变形,降低加工精度甚至导致主轴失效.该问题已占主轴总变形的40%～70%,成为影响机床切削性能的主要因素之一.因此对主轴热态特性的精确建模及预测成为设计的关键.Bossmanns等[1-4]建立了电主轴系统生热、传热、散热的功率流模型及转子-轴承的热力耦合模型,奠定了热问题的研究基础.在热问题中,生热量和传热系数的计算是建立仿真模型的关键.当前电主轴的生热与损耗问题已得到较好解决[5],但因涉及较多因素,与传热、导热有关的边界问题始终难以精确计算,如结合面热阻[6]和气隙间对流换热系数.定、转子间热量主要通过气隙传递,对流换热是影响热力学精确建模和计算的主要因素[7].Yang等[8]基于神经网络法研究了空气对流换热系数与主轴热传递的关系；Li等[9]利用RBF神经网络法计算并优化了空气对流换热系数,得到了与实验数据最接近的最优值；王保民等[10]分析了主轴的产热和散热特性,指出温度场分布的非线性特征,但认为气隙间为自然对流换热；Haitao等[11]则认为空气在气隙中的流态与流过平板时类似,与实际不符.随着转速升高,与上述边界条件有关的参数会改变,转子的离心膨胀和热膨胀引起的主轴结构的动态变化也会导致显著的动态热传递误差[12].Chen等[13]指出在2种膨胀的综合作用下,气隙的减小会改变对流换热系数,从而改变热传递和热分布；王保民等[14]分析了这2种效应作用下主轴转子的膨胀量及气隙减小程度,发现高速时气隙减小量占设计值的很大比例；Chang等[15]监测了主轴转子的热膨胀和气隙的变化,指出主轴系统的耦合状况随膨胀量的增加变得更加复杂；Günther等[16]研究了高速转子的离心膨胀和涡动,描绘了膨胀量随转速的变化关系及对实验结果的扰动.上述文献都指出转子膨胀会造成动、热态特性的变化,但未说明这一变化对热态特性能造成何种影响,也未深入分析.鉴此,本文基于某型号高速电主轴,从转子受离心力和热载荷产生的径向膨胀出发,讨论了定、转子间气隙的减小程度,计算了气隙对流换热系数的变化规律,分析了电主轴的热分布和热变形规律,提出了定、转子间传热效率的改善措施,旨在提高高速电主轴的传热性能与散热的控制水平,为有效的冷却和类似研究提供一定参考.气隙变化量由2方面因素决定：作用于转子上的离心力和作用于定、转子上的热载荷.定子因静止只具有热膨胀,转子兼有离心膨胀和热膨胀,气隙变化量则取决于初始设计值与定、转子总膨胀量之差.1.1 气隙变化量电主轴为轴对称结构,可等效为厚壁圆筒,为计算简便,假设定、转子材料属性相同,二者的热膨胀方程[17]可写为气隙变化量为1.2 主轴生热电主轴生热主要源于电机生热、轴承生热和空气摩擦生热,前两者生热占大部分,后者占比较小.1.2.1 电机生热电机生热主要源于定子损耗和转子损耗,定子损耗又分定子铜耗和定子铁耗,转子损耗包括转子铜耗和转子铁耗,附加损耗较小可忽略,该部分生热可由电机电磁损耗关系得出[1,5].通常认为定子发热量占功率损耗的2/3,转子发热量占功率损耗的1/3[10].本文电机损耗为3 kW,可知定子和转子的损耗分别为2和1 kW.1.2.2 轴承生热[10] 角接触球轴承的生热主要源于滚珠与内、外圈及润滑液的摩擦,其发热量可由下列算式得出因前轴承尺寸较大,定位预紧时在热诱导预紧力作用下生热大于后轴承,该差距随转速升高进一步增大,同时生热也随润滑液黏度的升高而增加.1.2.3 风阻损耗因主轴转速很高,定、转子间的空气摩擦损耗较为严重,风阻损耗[2]可表示为主轴传热分为热传导、热对流和热辐射,热辐射因数值较小可忽略,热传导与结合部接触状态有关,热对流则取决于间隙中空气的流态.2.1 结合面接触热阻主轴内存在大量结合部,主要包括球与轴承内、外套圈,轴承外圈与轴室,轴承内圈与主轴转子,主轴转子与电机转子等.轴承内的热传递通过球与滚道的导热和润滑油气的对流进行.各结合面间的传热系数可由下列关系式确定：2.1.1 球与轴承内、外圈热阻[10,18]为2.1.2 轴承外圈与轴室热导[18]为2.1.3 其他结合部轴承内圈与主轴、电机与主轴之间通常采用过盈配合,接触热阻可表示[6]为2.2 对流换热系数对流换热分为强迫对流换热和自由对流换热,在电主轴中,强迫对流换热包括轴承与润滑油气,定子与冷却水套,定、转子与气隙间的热交换等；自由对流换热包括转子端部、主轴壳体与周围空气间的热交换等.对流换热系数为2.2.1 定转子气隙内的对流换热系数轴承油气润滑系统的气流会使定子和转子温升轻微下降,但因距离较远,影响程度较为微弱,因此认为定、转子气隙中无轴向气流[10].转子在静止的定子中旋转时,气隙内空气流态为泰勒库特流,它会大幅改变两者间的传热特性,当转子转速大于临界转速时,空气将会失稳,并产生二次流.因此对气隙内的对流换热问题首先需判断流态,继而选取适当的计算方程.通常采用泰勒数(Ta=41.19)判断流态[21],但以临界转速判断更为直观.当气隙长度远小于气隙圆环平均半径时,临界转速为式中：rm为气隙圆环平均半径,ν为空气的运动黏度.如图2所示为当气隙δ0=0.3 mm时,泰勒数Ta随电机转子外表面直径d1和转速n的变化关系.由图2可得：泰勒数随转子直径和转速的上升而增大,在同一转速下,转子直径越大,泰勒数上升越快；若直径不变,转速是决定流态的主要因素.当泰勒数大于临界值41.19时,空气将失稳而产生泰勒涡.由图2可知,当转速大于15 000 r/min时,不论转子直径如何,气隙内空气都将失稳.本文电主轴转子直径为82 mm,从图2中可知只要转速大于7 500 r/min,空气定会失稳,且转速越大失稳越严重.当计及转子的径向膨胀时,该失稳则有进一步增强之势.式中：rm=(rsotor.e+rstator.i)/2； H=1-(rtator.i-rrotor.e/2rm),ωa为主轴角速度，g为重力加速度.2.2.2 其他对流换热系数其他努赛尔数Nu及对流换热系数h见表1.表中 Pr为普朗特数,当介质为空气时Pr取0.707,为水时Pr取0.583；Dh=2(rstaor.i-rrotor.e)；Re为雷诺数,Re=v rrotor.e/ν,v为空气流速，l为传热面几何特征长度. 电主轴主要参数如表2所示,建立的三维模型如图3所示.因电主轴为轴对称,因此只需建立1/4模型,同时忽略螺纹孔,倒角等影响不大的几何因素,并将冷却水槽等效为环形槽.精确划分网格后有162 094个单元,290 652个节点,仿真设环境温度为22 °C.3.1 主轴膨胀与气隙变化3.1.1 主轴离心膨胀、热膨胀及气隙减小量根据1.1的分析,离心力和热载荷都将引起主轴膨胀,为准确计算该变形,将离心膨胀与热膨胀单独计算.将主轴模型导入Ansys Workbench软件中,施加绕轴转速即可得到相应的离心膨胀位移,如图4所示.从图4可见，该膨胀量随转速上升而增大,当转速最大时,膨胀量达到最大值.与离心膨胀不同,在热载荷作用下主轴转子与壳体都会产生热膨胀.当主轴旋转时,生热与热传递、对流换热及散热等都为动态变化过程,所导致的热膨胀难以测量,由图4分析可知,当转速最大时离心膨胀达到最大值,为简便起见,计算20 000 r/min时所对应的热膨胀量.此时转子内、外表面温度分别为118和113 °C,转子轴内表面温度为115 °C,定子内外表面温度分别为70 和35 °C[14],由此可得壳体内表面和转子外表面的热膨胀量分别为25.2和82.2 μm,总膨胀量为107.4 μm,而该转速时离心膨胀量为5.7 μm,因此气隙减小量为113.1 μm,可见气隙减小程度主要取决于壳体和转子的热膨胀.只有在离心力作用时,气隙变化量占总宽度的3.25%；只有在热载荷时,气隙变化量占总宽度的35.8%；在综合作用下气隙减小量占初始宽度的37.7%；因此精确计算时该变化不可忽略.同时可预测：对于高DmN值高功率电主轴,高转速下发热和离心力引起的综合膨胀更大,气隙将急剧减小,若膨胀量进一步增大,将会引起转子摩擦定子,导致电主轴损坏.3.1.2 气隙减小对风阻损耗的影响如图5所示为不同条件下空气摩擦损耗的变化,从图5中可见摩擦损耗随转速升高而增大,在同一转速下当考虑气隙变化时,摩擦损耗更大.以n=20 000 r/min时为例,不考虑膨胀时风阻损耗为21.08 W,只考虑离心膨胀时为21.48 W,只考虑热膨胀时为32.97 W,考虑综合膨胀时为33.49 W,与不考虑膨胀时相比,损耗增加了58.87%,这说明气隙变化对风阻损耗有重要影响,而热膨胀影响最大.一方面是因为该损耗与转子直径的三次方成正比,与气隙长度成反比；另一方面由于气隙的减小,速度梯度减小,空气流动更加不稳定,空气剪切力增大,做功增大,摩擦加剧,从而使得损耗增大.3.1.3 泰勒数与对流换热系数如图6所示为泰勒数变化规律,Ta随转速升高而增大,当转速大于7 500 r/min时即会导致空气失稳,从而产生二次流.同时可看到,考虑气隙变化时泰勒数呈下降趋势,当n=20 000 r/min时,若只考虑离心膨胀,泰勒数为107.54,只考虑热膨胀时泰勒数为56.95,考虑综合膨胀时则为54.44,泰勒数分别下降了2.8%,48.5%,50.8%.可见热膨胀导致的气隙减小对泰勒数的大小有决定性影响.如图7所示为对流换热系数的变化规律,从图7可见ha随转速升高而增大.在同一转速下,考虑气隙减小时对流换热系数轻微减小,但与转速的作用相比,该变化的影响可以忽略不计.当n=20 000 r/min,不考虑气隙变化、只考虑离心力、只考虑热载荷及考虑综合因素时对流换热系数分别为202.14、201.76、193.63、193.10 W/(m2·K),可见对流换热系数随气隙减小而减小.该减小比例依次为0.18%,4.21%,9.04%,因此热膨胀导致的气隙减小对对流换热系数有重要影响,并可能对温度分布造成一定影响.3.2 主轴系统热分布3.2.1 定、转子间的热分布边界条件对热分布的结果有较大影响,如8、9所示为考虑与未考虑结合面热阻时的热分布图,考虑热阻后各结合部温度梯度增大,以主轴转子和电机转子结合部的变化最为明显.电机转子温度由112.8 °C上升为114.84 °C,上升了1.8%；主轴转子外表面温度则由112.8 °C下降至107.57 °C,下降了5.23%.主轴转子和电机转子间温度梯度由6.59 °C增大至7.27 °C,增长了10.3%,说明在热阻作用下,电机转子产生的热量不能顺利传入主轴转子.观察轴承内、外套圈分别与主轴转子和壳体的结合面,也可得出同样的结论,即当考虑结合面热阻后,轴承滚珠、内圈和外圈处的温度均出现热集中,温度值有所上升.这说明在电主轴热分析时不能忽略结合面热阻,否则将引起较大误差.如图10所示为考虑气隙变化时的热分布,与图9相比可知,转子温度幅值有较大变化,每个温度梯度所对应的温度值有所上升.如电机转子表面最高温度较之前升高3.34 °C,主轴转子外表面温度则上升了2.58 °C.这也印证了前面的分析,即气隙减小一方面增加了空气摩擦损耗,增加的损耗以生热的形式作用于转子表面,使其温度上升；另一方面降低了对流换热系数,使转子与定子间的对流换热受阻,转子上的热量难以交换至定子上的水冷系统.两者综合作用的结果使主轴温升增加,这也与文献[22]的实验结果一致,进一步说明了分析的正确性.3.2.2 转子温升与轴向热变形轴向变形能严重影响电主轴的加工精度,而径向变形对此类主轴影响不大,因此只考虑转子的轴向热变形.为进一步明确转子温度及热变形与对流换热系数和冷却功率之间的关系,绘制如图11、12曲线图.如图13所示为电机转子表面温度与对流换热系数关系,图中Pc为冷却水功率,t为电机转子表面温度,ha为气隙对流换热系数,由图11可知：电机转子温度随对流换热系数的增加而减小,对流换热系数每减小10 W/m2k,温度平均降低2.6 °C.如图12所示为轴向热变形量随对流换热系数的变化规律,图中δrotor.x为主轴轴向热变形量.从图12中可知δrotor.x随ha的增加显著下降,对流换热系数每减小10 W/m2k,热变形量平均下降2.47 μm.如图13所示为不同冷却功率下转子温度变化速率Δt与对流换热系数变化量Δha之间的关系,由图13可知温度并非等比例降低,降低速率Δt非线性变缓.如图14所示为主轴轴向位移变化速率Δδrotor.x与对流换热系数变化量Δha之间的关系,从图14中可知Δδrotor.x随Δha的上升而下降.从图13、14看出：若对流换热系数不变,提高冷却水功率并不能明显降低转子温度,这说明对流换热系数存在一个最优区间,否则若一味的提高该系数,将会造成过高的成本浪费.温度分布的变化规律进一步说明：定、转子间的热传递主要靠气隙间空气的对流换热,因此如何提高对流换热系数则成为解决该问题的关键,若能提高,则转子温度会大幅度降低.可以效仿中大型电机进行轴向强制风冷,但目前该技术在电主轴中应用较为困难.若能风冷的基础上,一方面提高水冷效率,或者对转子单独进行水冷,则能从根本上改善电主轴转子的热变形特性.(1)离心膨胀和热膨胀都会使得气隙长度显著减小,热膨胀的影响远大于离心膨胀；中小型电主轴的气隙长度较小,气隙变化明显,若其减小程度过大则会导致转子摩擦定子,损坏电主轴.(2)空气摩擦损耗随气隙减小而上升；对流换热系数随转速上升而增大,在同一转速下,该系数随气隙的减小而减小,影响程度不能忽略；其中离心膨胀的影响较小可忽略,但热膨胀对该系数的变化幅度有决定性影响,因此进行精确热分析时必须考虑该因素.本文未考虑齿槽形状、数目及转子表面粗糙度等因素,上述因素能否显著影响定转子间的对流换热还需更进一步研究.(3)建模时必须考虑结合部热阻,否则会使仿真结果产生较大误差.(4)提高冷却水功率并不能有效降低转子温升,而提高气隙间对流换热系数则会显著降低转子表面温度、温度梯度及转子轴向热变形量,此时若提高冷却功率,则能显著改善转子轴向热变形特性.。
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动机 的定子 通过 冷却 套安 装在 主轴 的壳 体 中。
２ 电主轴 的热源分析
高 速 电主 轴 两 个 主 要 的 内部 热 源 是 内装 式 电 机 的损耗 发 热和轴 承 的磨损 发 热 。
机 床 的主 要热 源 。由于转 速和 精度 要求 都 比较 高 ，
但是转速高机床就很容易热变形，与高精度背道而 驰 。所 以就 需要 电主 轴 有很 好 的冷 却 系统 口。所 以 】
（ 沈阳工业大学 机械工程学 院，沈 阳 １０ ７ １ ８ ０）
摘
要 ： 绍了高速电主轴的基本结构 ，建立 电主轴热态特性分析的有限 元模 型 ，并用有限元软件对模 介 型进 的温度提供有 力的依
据。基于上述分析 ，提出改善 电主轴热态特性的方法和措施 。 关键词 ：电主轴 ； 态特 性 ；有限元 热 中图分 类号 ：Ｔ １ ４ Ｋ ２ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ －０ ３ （０ １１ （Ｉ －０ １ － ３ ９ １ ４ ２ １ ） １ － １ １ ０ ０ ）
收稿 日期 ：２ １－０－２ ０１ ５ ０ 作者简介 ：孙兴伟 （ ９ ０一），女 ，辽 宁朝阳人 ，副教授 ，博士 ，研究方 向为复杂 曲面数控加工与控制技 术、曲面数控 １７
加 工轨迹 优化 、曲面测 量与反求技术 。
第３ 卷 ３
第 １期 Ｏ
２ １—１ （ ） ［ １ １ ０ １ １ 上 １ １
ｌ
匐 似
高速 电主 轴热态特性的研究
Ｒｅｓ ｅａｒ ｈｅｒ ａｌｃｈａｒ ｔ ｉ ｉ ｏｒ ｈｉ ｃｈ ｏｎ ｔ ｍ ａｃ ｅｒｓｔｃｓ ｆ ｇｈ ｓｐｅｅｄ ｍ ｏｔ ｉｅｄ ｐｉ ｅ ｏｒｚ ｓ ｎｄｌ
孙兴伟 ，王 聪，王 可，王远涛
ＳＵＮ Ｘｉｇ ｗｅ ， ＡＮＧ ｎ ， Ｖ ｎ ． ｉＷ Ｃｏ ｇ Ｖ ＡＮＧ ， ＡＮＧ ａ ． ｏ Ｋｅ Ｗ Ｙｕ ｎ ｔ ａ
Ｄｏ ： ． ９ ９ ｊｉｓ ． ０ ９ ０ ４ ２ １ ． １ － ． ２ ｉ １ ３ ６ ／ ． ｎ １ ０ － １ ． ０ １ １ （Ｉ ３ ０ ｓ ３ ）
０ 引言
目前 ， 随着 电气 传动 技 术 的迅速 发 展 和 日趋 完
善 ，高 速数 控 机床 主 传动
系 统 的机械 结 构 已得 到极
４１ ．２Ｘ１ ／ 。 ０ Ｗ ｍ
产 生 的摩 擦 力 矩Ｍ 与速 度无 关 的载 荷作 用下 产 和 生 的摩擦 力矩Ｍ， 分组 成 ，即 两部
Ｍ ＝ Ｍ ＋Ｍ
…
訇 似
式 中 ：Ｑ是热 源 的发热 量 ；ｖ 是热 源 的体积 。 ３２１ 电动机生热率的计 算 －＿ 电主 轴 额 定输 出 功 率Ｐ ＝ ．ＫＷ ， 率 损 失 为 ７５ 功
１８ ５ Ｗ ，并 假 设 损 失 的功 率全 部 转 化 为 热 ，其 ．７ Ｋ
中电机 定子 占２３电机转 子 占１３ ／， ／ ，定子 和转 子可 视 为 厚 壁 圆筒 ，定 子 的 发热 量 为 １２ ．ＫＷ ，定 子 的 体 积 为００ ３ ｍ３ 子 的 发热 量 为 ０６ ５ ．０ ｌ ， 转 ．２ ＫＷ ，转 子 的 体 积 为００ １ ｍ ．０ ５ ，根 据公 式 （ ）计算 得 出 定子 和 ２ 转 子 的 生 热 率 分 别 为 ４０ Ｘ ０ Ｗ ／ ． １ ｍ 和 ４
我们 要对其 热 态特性 进行 研 究分析 ，从 而达 到高 精
度的要 求 ，热稳 定性 问题 是高 速 电主轴 最为关 键 的
问题之 一 。
２１ 内装式 电机的损耗发热 ． 本 文 研 究 电主 轴 的 额 定 功 率 为 Ｐ ７５ ＝ ．ＫＷ ，
转 速 范 围 ｎ ３ ０ — １ ０ ０ ／ ｎ， 根 据 公 式 为 ００ ２ ０ ｒｍｉ Ｔ ９ ４ ／， 出电机 的扭 矩 为２ ．Ｎ 电机 的定 ＝ ５ ９ Ｐｎ得 Ｘ ３６ ｍ．
务ｌ
２２轴承的摩擦发热 ． 根 据Ｐ ｌ ｒｎ ａｍｇｅ 公式 ，轴 承滚动 体 与滚道 间接触
区 的摩擦 发热 量为Ｑ＝ Ｍｗ， Ｑ为发 热量 ；Ｍ为 轴 承摩 擦 总 力矩 ；Ｗ为 内圈的旋 转速 度 。 】
轴 承 摩 擦 总 力 矩Ｍ 由轴 承 空 转 时 润 滑 剂 粘 性
大 的简 化 ，基 本上 取 消 了
带轮 传 动和 齿 轮传 动 。机
床 主轴 由内装 式 电动机 直 接 驱动 ，这 种 主轴 电动 机
与机 床 主轴 “ 二 为一 ” 合
的 传动 结构 形 式 ，使 主轴 部件 从机 床 的 传动 系统 和 整 体 结 构 中 相 对 独 立 出
１ 高速 电主轴结构
高 速 电 主轴 的基 本 结构 如 图 ｌ ｆ ，它 是 由主 ｐ示 ） 轴 ，主 轴 箱 体 ，无 外 壳 电动 机 ，冷 却 装 置 和 轴 承 等 一 系列 装 置 所 组 成 ， 电动 机 的转 子 用 压 配 方 法
子 和 转 子 的 发热 来 源 于 电机 的损 耗 。主 要 包 括 机 械 损 耗 、 电 损耗 、磁 损 耗 。 电机 的损 耗 功 率 一般 为 电机 额 定 功 率 的２ ％￣ ５ ０ ２ ％， 因此 ，该 电主 轴 的 损 耗 功 率为 １ ７ ＫＷ， 中２３ 量 由定子 产生 ，约 ．５ ８ 其 ／热 为 １ Ｋ ，３ ． Ｗ １ 热量 由转 子产 生 ，约为０６ ５ Ｗ 。 ２ ／ ．２Ｋ
来 ， 因此可 做成 “ 主轴 单 与 主 轴 做 成 一 体 ，主 轴 由前 后 端 的 轴承 支 撑 ， 电
元 ” ，俗 称 “ 主 轴 ” 。电 主 轴 易 于 实现 主 轴 定 电 位 ，是高 速主 轴单 元 中 的一种 理想 结构 ｎ。 】
高速 电主 轴是 高速机 床 的核心 部件 ，也 是该 类