高速电主轴热态特性研究综述

郭小兰

摘 要： 电主轴技术是随着高速数控机床的发展和需求而发展起来的。高速电主轴的工作性能直接影响机床加工系统的精度、稳定性和应用范围，其热态特性对高速加工起着关键作用。本文对高速电主轴内部的发热进行了深层次的综述，同时结合电主轴稳态热分析，提出了改善电主轴的热态特性的措施。

关键词： 电主轴 热态特性 温度场 热变形

1.引言

超高速加工是以比常规高5～10倍的切削速度和进给速度对工件进行机械加工的先进制造技术，其高速主轴单元被称为高速机床的核心部件，也是该类机床的主要热源。然而电主轴中电动机的损耗发热和轴承的摩擦发热却是不可避免的，由此引起的热变形如果处理不当就会严重降低机床的加工精度。因此，在高速加工中，电主轴的热态特性成为影响加工精度的一个主要因素，并直接限制电主轴转速的提高。

2.电主轴热源分析

高速电主轴有两个主要内部热源：内装式电动机的损耗发热和轴承的摩擦发热。

电动机的作用是把电能转化成机械能，在转化的过程中会产生能量的损失，相当一部分能量以热量的形式存在于转子与定子之间的壳体内，导致主轴产生热变形，影响主轴的加工精度，严重时还会降低主轴的使用寿命。电动机的损耗一般分为四类：机械损耗、电损耗、磁损耗和附加损耗；前三类损耗为主要损耗[1]。因此，要保证高速条件下电主轴的加工精度，关键是解决内置电机的发热问题，提高电主轴的热稳定性。

机械损耗：机械损耗主要是由于转子高速旋转时与空气间的摩擦损耗，产生在定子和转子之间的间隙处，可由下式计算：

p■=πCρ？覣■R■L（1）[1]

式中p■——机械损耗功率，单位为W；

C——摩擦系数

R——转子的外半径，单位为m；

L——转子的长度，单位为m

？覣——角速度，单位为rad/s；

ρ——空气密度，单位为kg/m■。

电损耗主要是定子和转子线圈的损耗，可用下式计算：

P■=I■R=I■ρL/S（2）

式中P■——电损耗功率，单位为W；

I——电流，单位为A；

R——导体的电阻，单位为Ω；

ρ——导体的电阻率；

L——导体的长度，单位为m；

S——导体的截面积，单位为m■

磁损耗是在定子、转子铁心内因磁滞和涡流所造成的主要损耗。与主磁通对有效铁心的周期性反复磁化有关。反复磁化分为三种：静磁化——在一定限度内磁化电流缓慢变化时产生的磁化；循环磁化——由交变电流产生的磁化；旋转磁化——电枢铁心在磁场中旋转时产生的磁化。循环磁化时单位质量的磁损耗可用下述经验公式表示：

P■=CfB■■（3）

式中P■——磁滞损耗功率，单位为W

C——与电工钢牌号有关的常数

f——磁化频率，单位为s■

B■——磁感应强度最大值，单位为T

引起轴承发热的原因主要是滚子与滚道的滚动摩擦、高速下所受陀螺力矩产生的滑动摩擦、润滑油的黏性摩擦等 [2]。

在主轴无外载荷运转时，转矩就是电主轴在这一转速下的总摩擦力矩。目前轴承的热源计算主要是根据Palmgren公式进行计算的，由总摩擦力矩M（N·m）和转速n（r/min）就可算出空转摩擦功率损耗N，也就是电主轴的轴承热源强度，如下式所示：

N=M·n（Kw）/9550（4）

轴承摩擦总力矩M由轴承空转时润滑剂黏性产生的摩擦力矩M■和与速度无关的载荷作用下产生的摩擦力矩M■两部分组成[3]，即：

M=M■+M■=0.45f■（μw）■d■■+f■■■F■d■（5）

式中：f■为取决于轴承设计和润滑方式的系数，对于角接触球轴承，f■=1；μ为润滑剂在运转温度下的运动粘度；w为轴承内圈的旋转速度；d■为轴承平均直径；f■为取决于轴承设计与载荷的系数，对于角接触球轴承，f■=0.001；F■为轴承的当量静载荷；C■为轴承额定静载荷；F■为决定轴承摩擦力矩的计算载荷。

高速电主轴的轴承热源强度越大，表明主轴系统在空转条件下的能耗越大，引起热变形的可能性越大，主轴系统的型号、配置和预紧、润滑剂和转动方式等都对轴承在运转时的发热有密切的影响[4]。此外，轴承发热强度还与主轴系统的工况条件有关，载荷、转速和运行时间的变化，都会引起发热强度的变化。

3.电主轴的稳态热分析

电主轴的温度场分布和热变形主要采用的是有限元分析和有限差分法，有限元法可以用于虚拟电主轴温度场数值仿真求解。先构建轴对称结构几何模型，进行网格划分；再施加载荷，输入各部分的发热量及传热系数等特定边界条件和初始条件，根据能量守恒原理求解每一节点处的热平衡方程，计算出各节点温度，求出与温度相关的物理量的分布状况，如节点及单元的热流密度、热梯度等[5]。如热分析与结构分析相结合，进一步求出分析对象的热应力和热位移[6]。有限差分法的基本思想是将求解区域进行离散，同时将求解区域用网格线的交点（节点）所组成的点的集合来代替，对于每个节点上的热传导方程的导数项用相应的差分和差商来代替，从而在每个节点上形成一个代数方程，求解这些代数方程组成的方程组就可获得各节点的温度值。运用有限差分热模型计算，可以得到虚拟高速电主轴热量分布及传热与散热等特性[7]。

分析结果一般为转子铁芯的温度最高，这是因为转子发热的热量在铁芯处累积，且散热条件不好，热量不能迅速有效地导出，因而温升较高。其次为定子铁芯的内表面。尽管定子产生的热量可通过冷却油带走，但从转子铁芯通过气隙传来的热量仍使得定子铁芯中部的温升较高。前后轴承的温升较大。前、后轴承的温升较高，一方面是因为轴承本身发热量较大，另一方面是受转子较大的发热量的影响[8]。因此，产生的轴向热应力会很大，必然引起较大的主轴热位移。

4.改善电主轴的热态特性的措施

为改善电主轴的热态特性，可从两方面考虑，即减少发热和增强散热。减少发热可用陶瓷球轴承或非接触式轴承，陶瓷球轴承的质量比较轻，在高速回转时离心力相对小些，从而减小接触应力，降低摩擦。非接触式轴承可以减小摩擦，减小发热量[9]。增强散热可加强电机的冷却，采用合适的润滑方式，如油气润滑减少电主轴的热变形；在壳体上增加散热排风口，增强壳体内部空气的对流，加强对流循环，达到增强散热的目的，可有效减小转子发热量。在电主轴结构设计中，除了采用加装冷却水管外，强制对流是比较好的办法。

5.结语

在制造加工过程中，应根据实际的加工情况，通过对电主轴进行稳态热分析，对电主轴温度场进行比较，找到电主轴的发热规律，确定合适电主轴的结构设计和润滑冷却方式。这对于提高电主轴的产品质量和技术水平，促进我国高速数控机床的发展及高速加工技术的普及应用，有重要的理论意义和实用价值。

参考文献：

[1]崔海云.磨削类电主轴单元动态热态特性研究[D].太原科技大学，2010.

[2]张明华，袁松梅，刘强.基于有限元分析方法的高速电主轴热态特性研究[J].制造技术与机床，2008（4）.

[3]黄晓明，张伯霖，肖曙红.高速电主轴热态特性的有限元分析[J].航空制造技术，2003（10）.

[4]邵宽平.高速电主轴单元的热态特性研究[D].兰州理工大学，2011.

[5]黄晓明.高速电主轴热态特性的有限元分析[D].广东：广东工业大学硕士学位论文，2003.

[6]南江.TH5650立式加工中心电主轴的热分析[D].西南林业大学，2006.

[7]林伟青，傅建中.拟实环境下高速电主轴建模与热态特性研究[J].仪器仪表学报，2006（06）.

[8]黄晓明，张伯霖，肖曙红.高速电主轴热态特性的有限元分析[J].航空制造技术，2003（10）.

[9]孙兴伟，王聪，王可，王远涛.高速电主轴热态特性的研究[J].制造业自动化，2011（11）.