高速电主轴单元的热态特性分析

魏效玲，时玉冰，李勇，刘梦晗，王剑锋

(河北工程大学机电工程学院，河北邯郸056038)

为了实现高速运转，获得更高的生产率，电主轴技术应运而生。电主轴由内置式电动机直接驱动，省略了齿轮和皮带这种传统的动力传动装置。然而电主轴内置式电动机相当于增加了热源，电主轴高速运转时，电动机产生的热量主要是定子绕组的铜损耗和转子绕组的铁损耗造成的，产生的热量大部分由转子与定子之间的气隙传入定子。此外，对于高速旋转的转子，主轴壳体内部的空气也会产生热量。热量主要通过主轴及其壳体向外辐射，除了电机所产生的热量外，主轴轴承产生的热量也不容忽视。大量的热量聚集到轴承，降低了轴承的使用寿命，也会使主轴变形，最终降低其加工精度。

随着主轴转速的增加，由于各种摩擦因素产生了大量的热，而各种摩擦日趋严重，热量积累也越多。随着电主轴温度上升，需要的轴承预紧力也相应增大，同时轴承也将生成更多的热量。考虑到热辐射和热传递，主轴轴承必须合理地润滑与冷却，否则，它不能保证电主轴的高速运转。因此对高速电主轴的热态特性分析就变得尤为重要了。

1 电主轴系统的结构

本文所设计电主轴系统结构如图1所示，内置式电机置于前后轴承之间，电机转子采用过盈配合的方法安装在主轴上。为了满足电主轴高速、高刚度、低温升等设计性能要求，采用角接触混合陶瓷球轴承支承，即滚球材料用的Si3N4陶瓷，而轴承的内、外圈仍用钢制材料。前后两组轴承整体上为背对背安装，前轴承采用定位预紧固定;后轴承采用弹簧定压预紧，其轴向可以有微量的移动，以补偿主轴工作时的热伸长。定子和冷却套作为一体安装在主轴单元的壳体中，电机采用油—水热交换系统进行冷却。

2 电主轴系统产生的热量

由于该模型是轴对称结构，因此只需对该模型的一半横截面进行建模。对系统的元素、材料特性、负载进行选择，建立有限元模型。高速电主轴系统的有限元模型如图2所示。电主轴单元产生的热量包括电机产生的热量和轴承摩擦产生的热量。

电机产生的热量通过功率损耗计算。其中，定子产生的热量等于功率损耗的2/3，而转子产生的热量等于剩余的1/3。角接触球轴承由于两种类型的摩擦力产生大量的热，同时由于润滑粘度而产生摩擦力矩。其产生的热量为HF=M·ω。

轴承运转过程中产生的热量为Hs=ϖroll·其 中ϖroll=ϖ·σ。表1中给出了主轴单元各部分产生的热量。

表1主轴单元各部分产生的热量Tab.1 Details for finding spin moment

3 电主轴系统的热对流

热对流是物体表面与周围接触的流体之间由于温差存在而产生的热量交换。其中，有以下几点。

角接触混合陶瓷球轴承中滚珠与润滑剂间的热对流(hb)

电机转子与空气间的热对流(hr)

冷却剂与空气间的热对流(hc)

电主轴的温度分布和热性能分析如图3和图4所示。

表2中显示了主轴系统各部分的热对流。

表2主轴系统的热对流Tab.2 Convection in spindle parts

4 电主轴系统的热态特性分析

从以上热态性能中可以分析得出热感应预载荷，并计算得出相应的强度和临界速度。每一种模式的临界速度都不一样，因为预载荷是由时间来决定的。因此，时间增加了，固有频率也会随之增加，热感应预载荷就会对临界速度的提升有积极作用，即在轴承不产生故障的情况下，获得更高的速度。这对增加工作时间似乎是一种好的效果，但是，经过长时间的运行，过多的热感应预载荷会使材料引起热偏移，使轴承产生故障。因此，轴承的制作材料必须有更好的热稳定性，以便承受更高的温度。

临界速度可以通过分析得到的坎贝尔图表来计算得到，这些计算结果的条件是在10 000 r/min和5 000 s范围内。瞬态热态特性分析用来计算温度、径向和轴向偏差，以及热感应预载荷。从图5中可以看出，显示稳定状态已经达到6.5h。主轴端部的径向和轴向偏差如图6、图7、图8、图9所示，从图可知电主轴的热变形情况。

5 结论

1)为了获得更多的预载荷，应该考虑热感应预载荷的影响。

2)由热感应预载荷和防松螺母提供的预载荷，也用来提高临界速度，以便有更大范围的运行速度。已计算出热感应预载荷和与之相对应的固有频率，也就是提高了临界速度，以致在不同时间，当达到10 000 r/min时，电主轴有更大范围的运行速。

3)通过确定电主轴系统的温度分布、主轴端部的径向和轴向偏移，掌握其热变形，从而可以采取更有效、针对性的冷却和补偿措施，提高电主轴加工过程中的稳定性和可靠性。

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