大功率高速电主轴电动机冷却系统的设计

应一帜

（台州职业技术学院，浙江台州 318000）

大功率高速电主轴电动机冷却系统的设计

应一帜

（台州职业技术学院，浙江台州 318000）

通过对电主轴发热特性的分析，设计了油水热交换系统，并对电主轴内部结构进行了改进。最后运

用有限元技术对高速空运转条件下的电主轴进行热态分析，分析结果表明散热效果明显。

电主轴 结构设计 热交换 有限元

电主轴的冷却与润滑是电主轴设计制造中最关键的一部分。电主轴的冷却与润滑方式的选择、冷却能力的计算、润滑油量的控制等均将影响电主轴的转速、精度、寿命等。电主轴运转中的发热问题始终是人们关注的焦点。电主轴的内部有两个主要热源，一是内藏式电动机，另一个是主轴轴承。

1 电主轴电动机的冷却

与一般的主轴部件不同，电主轴最突出的问题之一是内藏式高速主轴电动机的发热。主轴在高速运转过程中，电动机内部功率损耗所产生的热量很容易传入主轴和壳体中，使主轴和箱体产生热位移，直接影响主轴的性能。

研究发现，在电动机高速运转条件下，有近1/3的电动机发热量是由电动机转子产生的，并且转子产生的绝大部分热量都通过转子与定子间的气隙传入定子中，只有少部分热量直接传入主轴和端盖上，其余2/3的热量产生于电动机的定子［1］。

如图1所示的电主轴电动机的额定功率为30 kW，功率损耗为6 kW，设电动机的功率损耗全部转换为热量，运用有限元技术对高速空运转条件下的电主轴进行热态分析。设室温为25℃，转速10 000 r/min，油气润滑系统的空气压力为0.6 MPa，空气流量为2.65 ×10－3m3/s，润滑油运动粘度为 60 mm2/s，流量为400 mm3/h。假设电动机定子无冷却，采用有限元方法对电主轴进行二维建模和分析计算［2］，得到主轴的温度分布如图2所示。

根据分析结果可知，主轴电动机的最高温度出现在定子中，其最高温度89.04℃，与定子相邻的主轴壳体的温度达89℃，温升高达64℃，转子的最高温度为88℃，平均温度达82℃。如果不采取有效的措施，会使主轴和壳体产生热变形，严重影响主轴的性能和加工精度［3］。

主轴电动机热量主要由内部功率损耗所引起的，与电动机的性能密切相关。根据热平衡方程［4］，电动机的温升为

式中：τ为电动机的温升，℃；T为电动机的发热时间常数，s；τw为电动机的稳定温升，℃。其中，电动机的发热时间常数由下式确定。

式中：C为电动机热容量，J/℃；A为电动机的散热系数，W/℃。

电动机的稳定温升τw与电动机发热量Q成正比：

式中：Q 为热流量，W。 将式（2）、（3）代入式（1），求解微分方程，在额定功率条件下，电动机的温升表达式为

式中：τ为电动机的温升，℃；ts为初始温度，℃。

由式（4）可知，当主轴电动机选定后，电动机的额定功率和热容量一定，要减低电动机的温升，关键在于提高电动机的散热系数A。这就需要采用强迫对流换热方式，对电动机定子进行循环热交换。常用的主轴热交换方式有专用制冷剂冷却、水冷却和油冷却。

如果电动机的发热问题解决不好，还会影响机床工作的可靠性。图3就是高速电主轴GS5090的外循环油冷却系统的外部示意图，而图1就是高速电主轴GS5090的油冷却系统的内部示意图，系统采用连续、大流量冷却油对定子进行循环冷却。图1中的件4是主轴电动机定子外面所加的一带有螺旋槽的铝质水套，机床工作时，经过图3中热交换器的冷却油不断地从图1中的d口流入，经过铝质水套（件4）的螺旋槽，从图1中的e口流出，从而把主轴电动机的热量及时、迅速地带走，热冷却油经图3中热交换器冷却。

根据电主轴的系统要求，在额定功率条件下，使定子壳体的温升不超过10℃，即冷却油的温升不超过10℃；主轴电动机的额定功率为30 kW，功率损耗为6 kW，设电动机的功率损耗全部转换为热量，则冷却水的流量、油泵的最小输油压力均可按下式进行确定：

式中：Qmax为最大热交换量，Qmax=6 000 W；ρ为冷却油的密度，ρ=852 kg/m3；Cp为冷却油的比热，Cp=1 993 J/（kg·℃）；ΔT为冷却油的温升，ΔT=10℃；G为冷却油的流量，m3/s。

根据式（5）求得，G=3.53 ×10－4m3/s，油泵的最小输油压力为

式中：Δp为油泵的最小输油压力，Pa；D为输油槽的等效直径，d=0.012 m；v为冷却油的动力粘度，v=0.166 N·s/m2；L为输油回路长度，L=10 m。

根据式（6）求得，油泵的最小输油压力Δp=1.15 MPa。

根据主轴电动机的功率损耗、冷却油的流量和油泵的最小输油压力可选择适当的油冷却机。在使用油冷却机对电主轴进行冷却后，再次运用有限元技术对高速空运转条件下的电主轴进行热态分析，采用有限元方法对电主轴进行二维建模和分析计算，得到主轴的温度分布如图4所示。

温度场结果表明，采用这种油水热交换系统能有效降低主轴壳体的温升，主轴壳体的最高温度不超过50℃，并且使定子与主轴壳体间的最高温度降为39℃，温升控制在14℃范围内。与图2相比可知，主轴壳体与定子部分的最高温升降低了50℃。结果表明采用连续大流量的油水热交换系统，能有效减少电动机发热对主轴的热影响。同时从温度场分析可知，主轴最高温升转移到转子中心，其最高温度为83.8℃，比不带循环冷却时转子的温升降低了4℃，平均温度下降了近5℃，这表明热交换系统对转子的散热效果不明显。要减少主轴转子的温升和热影响，可以采用冷却剂对主轴中心孔冷却，提高转子的散热来实现［5］。

2 结语

电主轴最突出的问题之一是内藏式高速主轴电动机的发热。本文通过对其发热特性的分析，设计了油水热交换系统并对电主轴内部结构进行了改进，最后运用有限元技术对高速空运转条件下的电主轴进行热态分析，分析结果表明主要降低了主轴壳体与定子部分的温度，能有效减小电动机发热对主轴的热影响。

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 马平.高速数控机床主轴电动机的热态特性研究［C］.全国生产工程第8界学术大会论文集.北京：机械工业出版社，1999.

3 项伟宏，郑力，刘大成等.机床主轴热误差建模［J］.制造技术与机床，2000（11）：12 ～14

4 马平，白钊，李锻能等.高速大功率电主轴的油水热交换系统设计［J］.组合机床与自动化加工技术，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：应一帜，男，1974年生，工学硕士，讲师，研究方向为机械制造及自动化。

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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

（编辑 孙德茂） （

2009―04―16）

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