應(yīng)一幟

（臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江臺(tái)州 318000）

大功率高速電主軸電動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

應(yīng)一幟

（臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江臺(tái)州 318000）

通過(guò)對(duì)電主軸發(fā)熱特性的分析，設(shè)計(jì)了油水熱交換系統(tǒng)，并對(duì)電主軸內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。最后運(yùn)

用有限元技術(shù)對(duì)高速空運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的電主軸進(jìn)行熱態(tài)分析，分析結(jié)果表明散熱效果明顯。

電主軸 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 熱交換 有限元

電主軸的冷卻與潤(rùn)滑是電主軸設(shè)計(jì)制造中最關(guān)鍵的一部分。電主軸的冷卻與潤(rùn)滑方式的選擇、冷卻能力的計(jì)算、潤(rùn)滑油量的控制等均將影響電主軸的轉(zhuǎn)速、精度、壽命等。電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)中的發(fā)熱問(wèn)題始終是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。電主軸的內(nèi)部有兩個(gè)主要熱源，一是內(nèi)藏式電動(dòng)機(jī)，另一個(gè)是主軸軸承。

1 電主軸電動(dòng)機(jī)的冷卻

與一般的主軸部件不同，電主軸最突出的問(wèn)題之一是內(nèi)藏式高速主軸電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱。主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部功率損耗所產(chǎn)生的熱量很容易傳入主軸和殼體中，使主軸和箱體產(chǎn)生熱位移，直接影響主軸的性能。

研究發(fā)現(xiàn)，在電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，有近1/3的電動(dòng)機(jī)發(fā)熱量是由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的，并且轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的絕大部分熱量都通過(guò)轉(zhuǎn)子與定子間的氣隙傳入定子中，只有少部分熱量直接傳入主軸和端蓋上，其余2/3的熱量產(chǎn)生于電動(dòng)機(jī)的定子［1］。

如圖1所示的電主軸電動(dòng)機(jī)的額定功率為30 kW，功率損耗為6 kW，設(shè)電動(dòng)機(jī)的功率損耗全部轉(zhuǎn)換為熱量，運(yùn)用有限元技術(shù)對(duì)高速空運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的電主軸進(jìn)行熱態(tài)分析。設(shè)室溫為25℃，轉(zhuǎn)速10 000 r/min，油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的空氣壓力為0.6 MPa，空氣流量為2.65 ×10－3m3/s，潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)粘度為 60 mm2/s，流量為400 mm3/h。假設(shè)電動(dòng)機(jī)定子無(wú)冷卻，采用有限元方法對(duì)電主軸進(jìn)行二維建模和分析計(jì)算［2］，得到主軸的溫度分布如圖2所示。

根據(jù)分析結(jié)果可知，主軸電動(dòng)機(jī)的最高溫度出現(xiàn)在定子中，其最高溫度89.04℃，與定子相鄰的主軸殼體的溫度達(dá)89℃，溫升高達(dá)64℃，轉(zhuǎn)子的最高溫度為88℃，平均溫度達(dá)82℃。如果不采取有效的措施，會(huì)使主軸和殼體產(chǎn)生熱變形，嚴(yán)重影響主軸的性能和加工精度［3］。

主軸電動(dòng)機(jī)熱量主要由內(nèi)部功率損耗所引起的，與電動(dòng)機(jī)的性能密切相關(guān)。根據(jù)熱平衡方程［4］，電動(dòng)機(jī)的溫升為

式中：τ為電動(dòng)機(jī)的溫升，℃；T為電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱時(shí)間常數(shù)，s；τw為電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定溫升，℃。其中，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱時(shí)間常數(shù)由下式確定。

式中：C為電動(dòng)機(jī)熱容量，J/℃；A為電動(dòng)機(jī)的散熱系數(shù)，W/℃。

電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定溫升τw與電動(dòng)機(jī)發(fā)熱量Q成正比：

式中：Q 為熱流量，W。 將式（2）、（3）代入式（1），求解微分方程，在額定功率條件下，電動(dòng)機(jī)的溫升表達(dá)式為

式中：τ為電動(dòng)機(jī)的溫升，℃；ts為初始溫度，℃。

由式（4）可知，當(dāng)主軸電動(dòng)機(jī)選定后，電動(dòng)機(jī)的額定功率和熱容量一定，要減低電動(dòng)機(jī)的溫升，關(guān)鍵在于提高電動(dòng)機(jī)的散熱系數(shù)A。這就需要采用強(qiáng)迫對(duì)流換熱方式，對(duì)電動(dòng)機(jī)定子進(jìn)行循環(huán)熱交換。常用的主軸熱交換方式有專(zhuān)用制冷劑冷卻、水冷卻和油冷卻。

如果電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱問(wèn)題解決不好，還會(huì)影響機(jī)床工作的可靠性。圖3就是高速電主軸GS5090的外循環(huán)油冷卻系統(tǒng)的外部示意圖，而圖1就是高速電主軸GS5090的油冷卻系統(tǒng)的內(nèi)部示意圖，系統(tǒng)采用連續(xù)、大流量冷卻油對(duì)定子進(jìn)行循環(huán)冷卻。圖1中的件4是主軸電動(dòng)機(jī)定子外面所加的一帶有螺旋槽的鋁質(zhì)水套，機(jī)床工作時(shí)，經(jīng)過(guò)圖3中熱交換器的冷卻油不斷地從圖1中的d口流入，經(jīng)過(guò)鋁質(zhì)水套（件4）的螺旋槽，從圖1中的e口流出，從而把主軸電動(dòng)機(jī)的熱量及時(shí)、迅速地帶走，熱冷卻油經(jīng)圖3中熱交換器冷卻。

根據(jù)電主軸的系統(tǒng)要求，在額定功率條件下，使定子殼體的溫升不超過(guò)10℃，即冷卻油的溫升不超過(guò)10℃；主軸電動(dòng)機(jī)的額定功率為30 kW，功率損耗為6 kW，設(shè)電動(dòng)機(jī)的功率損耗全部轉(zhuǎn)換為熱量，則冷卻水的流量、油泵的最小輸油壓力均可按下式進(jìn)行確定：

式中：Qmax為最大熱交換量，Qmax=6 000 W；ρ為冷卻油的密度，ρ=852 kg/m3；Cp為冷卻油的比熱，Cp=1 993 J/（kg·℃）；ΔT為冷卻油的溫升，ΔT=10℃；G為冷卻油的流量，m3/s。

根據(jù)式（5）求得，G=3.53 ×10－4m3/s，油泵的最小輸油壓力為

式中：Δp為油泵的最小輸油壓力，Pa；D為輸油槽的等效直徑，d=0.012 m；v為冷卻油的動(dòng)力粘度，v=0.166 N·s/m2；L為輸油回路長(zhǎng)度，L=10 m。

根據(jù)式（6）求得，油泵的最小輸油壓力Δp=1.15 MPa。

根據(jù)主軸電動(dòng)機(jī)的功率損耗、冷卻油的流量和油泵的最小輸油壓力可選擇適當(dāng)?shù)挠屠鋮s機(jī)。在使用油冷卻機(jī)對(duì)電主軸進(jìn)行冷卻后，再次運(yùn)用有限元技術(shù)對(duì)高速空運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的電主軸進(jìn)行熱態(tài)分析，采用有限元方法對(duì)電主軸進(jìn)行二維建模和分析計(jì)算，得到主軸的溫度分布如圖4所示。

溫度場(chǎng)結(jié)果表明，采用這種油水熱交換系統(tǒng)能有效降低主軸殼體的溫升，主軸殼體的最高溫度不超過(guò)50℃，并且使定子與主軸殼體間的最高溫度降為39℃，溫升控制在14℃范圍內(nèi)。與圖2相比可知，主軸殼體與定子部分的最高溫升降低了50℃。結(jié)果表明采用連續(xù)大流量的油水熱交換系統(tǒng)，能有效減少電動(dòng)機(jī)發(fā)熱對(duì)主軸的熱影響。同時(shí)從溫度場(chǎng)分析可知，主軸最高溫升轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)子中心，其最高溫度為83.8℃，比不帶循環(huán)冷卻時(shí)轉(zhuǎn)子的溫升降低了4℃，平均溫度下降了近5℃，這表明熱交換系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子的散熱效果不明顯。要減少主軸轉(zhuǎn)子的溫升和熱影響，可以采用冷卻劑對(duì)主軸中心孔冷卻，提高轉(zhuǎn)子的散熱來(lái)實(shí)現(xiàn)［5］。

2 結(jié)語(yǔ)

電主軸最突出的問(wèn)題之一是內(nèi)藏式高速主軸電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱。本文通過(guò)對(duì)其發(fā)熱特性的分析，設(shè)計(jì)了油水熱交換系統(tǒng)并對(duì)電主軸內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，最后運(yùn)用有限元技術(shù)對(duì)高速空運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的電主軸進(jìn)行熱態(tài)分析，分析結(jié)果表明主要降低了主軸殼體與定子部分的溫度，能有效減小電動(dòng)機(jī)發(fā)熱對(duì)主軸的熱影響。

1 Bernd Bossmanns，Jay F.Tu.A power Flow Model for High Speed Motorized Spindles － Heat Generation Characterization［J］.ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering.2001，123：494 －505

2 馬平.高速數(shù)控機(jī)床主軸電動(dòng)機(jī)的熱態(tài)特性研究［C］.全國(guó)生產(chǎn)工程第8界學(xué)術(shù)大會(huì)論文集.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

3 項(xiàng)偉宏，鄭力，劉大成等.機(jī)床主軸熱誤差建模［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2000（11）：12 ～14

4 馬平，白釗，李鍛能等.高速大功率電主軸的油水熱交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2004（6）

5 Tu Jay F.Thermal model for high speed motorized spindle［sJ］.International journal of machine tools and manufacture.1999，39（9）：1345 －1366

作者：應(yīng)一幟，男，1974年生，工學(xué)碩士，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及自動(dòng)化。

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Design of Cooling System for the High Speed Motorized Spindle Main Motor

YING Yizhi
（Taizhou Vocational Technology College，Taizhou 318000，CHN）

By analyzing the Built－fever characteristics of motorized Spindle，the design of the oil－ water heat exchange system and the internal structue of the spindle power is improved，and finally the use of finite element technology for high－speed airoperation under the conditions of the spindle motorto thermal analysis results show that the cooling effect.

Motorized Spindle；Structure Design；Circling Cooling；Finite Element Method

（編輯 孫德茂） （

2009―04―16）

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