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高速电主轴热态性能分析

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高速滚珠轴承电主轴热态特性分析

高速滚珠轴承电主轴热态特性分析

高速滚珠轴承电主轴热态特性分析姜本刚;雷群;杜建军【摘要】为研究高速滚珠轴承电主轴的热特性对其性能的影响,计算轴承的热源生热并进行热特性仿真.研究轴向载荷和转速对接触角的影响规律,进而采用局部热计算方法计算轴承的热损耗.结果发现,轴承的旋转速度对其热损耗的影响比轴向载荷作用更明显,并且滚珠的自旋摩擦是轴承生热的主要形式.结合热源生热计算结果,运用ANSYS对一定转速的空载电主轴分别进行稳态热分析和瞬态热分析,发现电主轴的最高温度点出现在内置电机转子的中心区域.将稳态热分析结果加载到有限元模型进行热-结构耦合分析,发现最大轴向位移出现在主轴的最前端,最大轴向应力则出现在前轴承球与外滚道的接触区域.设计空载电主轴温升测定实验,验证仿真结果的正确性.%To study the influence of the thermal characteristics of the motorized spindle of ball bearings on its performance,the heat source calculation and the thermal characteristic simulation of the bearing were performed.The heating consumption of the bearing was analyzed by the local heat calculation method.It is found that the influence of the bearing speed on thermal consumption is greater than that of axial load,and the ball's spin is the main form of the ball bearing heating.Based on the calculation results of heat source,the steady-state and transient-state analysis were performed respectively by ANSYS under a certain speed with no load.The result shows that the highest temperature appears in the iron core of the motor rotor.The thermal-structure coupling analysis was carried out by loading the steady-state thermal analysis results to the finite element model.The results show that the maximum axial displacementappears at the front of the spindle,and the maximum axial stress appears on the contact point between the ball and the outer ring of the front bearing.An experiment of temperature rise measurement was performed by a no load spindle,the measuring results verified the accuracy of the simulation results.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2017(042)002【总页数】8页(P6-12,18)【关键词】电主轴;角接触球轴承;局部热计算法;热分析【作者】姜本刚;雷群;杜建军【作者单位】哈尔滨工业大学深圳研究生院广东深圳518055;广州市昊志机电股份有限公司广东广州511356;哈尔滨工业大学深圳研究生院广东深圳518055【正文语种】中文【中图分类】TH133.37电主轴是高性能机床的核心部件，将转轴、驱动电机和轴承集成为一体，其性能直接决定了高速切削的质量[1]。

高速陶瓷电主轴的热源分析及其计算

高速陶瓷电主轴的热源分析及其计算

承， ２０００， （８）：１－ ４． ［ ３］ 黄晓亮 ， 熊万 里， 黄 红武．高 速精 密主 轴轴 承热特 性的 计算 及 分
析［ Ｊ］ ．机械， ２００３， ３０（ ６） ： １４－ １６． ［ ４］ 黄晓明 ， 张伯 霖， 等．高速电 主轴 热 态 特 性 的 有 限 元 分 析［ Ｄ］ ．广
Ｈｉｊ ＝ωｒｏｌｌＭｉｊ＋ωｓｉＭｓｉ Ｈｅｊ＝ωｒｏｌｌＭｅｊ＋ωｓｅＭｓｅ
ωｒｏｌｌ ＝ωｃ ｄｍ／Ｄｗ 式中， Ｈｉｊ、Ｈｅｊ： 滚动体与内外圈滚道接触区发热量 ， Ｗ；
ωｒｏｌｌ： 滚动体相对外圈滚道滚动角速度， ｒａｄ／ｓ； ωｓｉ、ωｓｅ－ 滚动体绕接触面法线自旋运动角速度， ｒａｄ／ｓ。 ４ 减少主轴单元发热的措施
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， 主要产生在定子和转子之间的间隙、转子端面等 处。
柱体部件与空气摩擦损耗功率可由下式计算： ＰＭ＝Ｃπρω３Ｒ４Ｌ
式中， Ｃ： 摩擦系数（ 通常根据经验来确定） ； Ｒ： 旋转体的外 半径； Ｌ： 旋转体的长度； ω： 角速度； ρ： 空气密度。
长度； Ｓ： 导体的截面积。
２．４ 磁损耗
磁损耗在定、转子铁芯内因磁滞和涡流所造成的主
要损耗与主磁通对有效铁芯的周期性反复磁化有关。反
复磁化分为 ３ 种（： １） 静磁化—在一定限度内磁化电流缓慢
变化时产生的磁化；（ ２） 循环磁化—由交变电流产生的磁
化；（ ３） 旋转磁化—电枢铁芯在磁场中旋转时产生的磁化。
造， ２００３， ４１（１２）：１３－ １５．
（ 编辑 黄 荻）
"""""""""" 作者简介： 闫大鹏（ １９７９－ ） ， 男， 在读研究生， 研究方向为机电一体化。

分析高速机床电主轴的热管冷却

分析高速机床电主轴的热管冷却

分析高速机床电主轴的热管冷却摘要高速机床相对于传统的加工机床来说具更高的加工速度以及较优秀的零件精度及切削表面质量，为现代化的机械加工业提供更优质的服务。

但是由于高速机床在工作的过程中，是由电主轴的高速旋转来完成工作的，在这一进程中产生了大量的热量，温度的升高使得机械产生热膨胀，从而使得零件的制造精度降低，误差较大，因此采取有效的降温措施是保证高速机床正常工作的必然选择。

本文中主要针对高速机床电主轴的热管冷却进行了详细的分析及探讨。

关键词：高速机床；电主轴；热管冷却高速机床在使用的过程当中，处于高速旋转状态下的电主轴的各个零件都会表现为或强或热的发热现象，如果不采取及时且有效的冷却措施，就会使得电主轴与机床中的其它结构的相对位置等参数相较于正常运转状态存在较大的误差，特别是电主轴发生较强的热膨胀时，会严重的影响着零件的加工误差，此外，由于温度得不到很好的控制，也会使得电主轴过热而发生局部的应用变化等，等而减少高速电主轴的使用寿命，增加了生产成本，因此应采用合理的冷却系统，提高电主轴的冷却水平，从而更有利于稳定机械加工质量，保护高速机床设备。

1.创新高速电主轴冷却系统的必要性分析在当今我国使用的高速机床中，在进行高速主轴冷却工作时，大多数是采用在主轴壳体内添加冷却油的形式来实现的，这些冷却油在主轴的工作过程中得到不断的循环，从而将热量带下次，达到主轴冷却的最终目的。

在具体的工作中，这些冷却油在油温控制器的控制下，经前端盖处的入水口，流入到前端轴承外围，并完成对前端轴承的冷却工作，随后再流向主轴的定子及后轴承，完成相应的冷却任务后，再流回主轴油温控制品，这一流程的结束即完成了一次冷却循环。

高带电主轴在工作中之所以会发出热量，究其原因主要是其存以以下的发热源，首先位于机床主轴结构中的主轴电动机高速旋转而发出的热量，是其内部结构的主要热量来源；其次，由于电动机在主轴壳体内的高速转动使得壳体内的空气发热，同时再通过主轴壳体等散发了出去，这使得主轴的温度有所升高，甚至于其使用寿命也会有所缩短，零件的加工精度也得不到有效保证；最后，在转动过程中，主轴轴承摩擦所产生的热能也是热源之一。

高速电主轴热态性能的有限元分析及温升控制

高速电主轴热态性能的有限元分析及温升控制

Ｆｉ ｉｅ Ｅｌｍ ｅ ｎ ｔ ｅ ｎｔＡｎａ ｙ ｉ ｆＴｈ ｒ ａ ｌ ｓｓ ｏ ｅ ｍ ｌＣｈａ ａ ｔ ｒ ｓｉｓ ａ ｄ Ｔｅ ｐｅ ａ ｕｒ ｓ ｎｔ ｏ ｏｒ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｎ ｍ ｒ ｔ ｅ Ｒｉｅ Ｃｏ ｒ ｌｆ Ｈ ｉｈ Ｓ ｅ ｏ ｏ ｉｅ ｐｉ ｄｌ ｇ ｐｅ ｄ Ｍ ｔ ｒ ｚ ｄ Ｓ ｎ ｅ Ｗ ＥＮ Ｈｕ ｉｘ ｎ ａ — ｉ ｇ，Ｗ ＡＮＧ ｅ— ａ Ｍ ｉｙ ｎ
Ａｂｓｒ ｃ ｔ ａ ｔ：Ａ ｃ ｏ ｄｎ ｏ ｔ ｎｔｒ ｌ ｏ ｏ ｈ ｒ ｃ ｅｉｔｃ ｆｈｇ ｐｅ ｄ ｍｏ ｏ ｉ ｅ ｐｉ ｄｅ ｈｅ ｔｓ ｕ ｃ ｓａ ｅ ｃ ｒ ｉｇ ｔ ｈｅｉ ｅｎａ ｔ ｒｃ ａ ａ ｔ ｒｓｉｓ ｏ ｉｈ ｓ ｅ ｔ ｒｚ ｄ ｓ ｎ ｌ， ａ ｏ ｒ ｅ ｒ ｍ
ｃｏｎｔｏ１ ｒ
Ｏ 引 言
电主轴作 为 一 种 新 兴 的 机 床 主轴 结 构 ， 采用 内
态 特 性 的 研 究 与 电 主 轴 温 升 的 控 制 是 电 主 轴 需 要 解
决 的关 键 问题 之 一 。
装 式 电机 直接驱 动形 式 ， 和传 统 的 主传 动方 式 相 比 ，
具 有结构 紧凑 、 动链 短 、 械效 率 高 、 传 机 噪声 低 、 动 振 小 和 回转 精度 高等优 点 。 电主轴 的应 用 不仅 大 大 提 高 了加 工效率 和加 工质 量 ， 降低 了产 品成本 ， 且 可 并 以实现薄 壁零件 和难加 工材料 的精密 加工 。 高速 电主 轴 是 高 速数 控 机 床 的核 心 部 件 ， 机 对 床 的加工 精度 和 效 率 影 响 很 大 ， 其 内装 式 电机 的 但 结 构 ， 得 高速 电主 轴 的发 热 量 大 ， 热条 件 差 ， 使 散 进 而 直接影 响 到 主 轴 的 精 度 。因 此 ， 高速 电 主轴 热 对

高速木工机械电主轴热态特性分析

高速木工机械电主轴热态特性分析
轴 对 称结 构 ， 需 取 电 主 轴 剖 面 的 一半 建模 即 可． 只 由 于 高 速 木 工 机 械 电 主 轴 采 用 风 冷 却 套 进 行 散 热 ， 风 冷 却 套 又 是 一 个 方 形 结 构 ． 为 了 简 化 计 而
计 ， 电主 轴 中 的 Ｈ Ｋ拉 刀 机 构及 后 支 座 不参 加 有 Ｓ
速木 工机 械 电主轴 的两 个 主要 内部 热 源．
２ １ 内装 式 电 动 机 的 损 耗 发 热 ．
对 于 角 接触 球 轴 承 ， 当量 静载 荷 按 下 述 两式 其
计 算 ， 取 其 中较大 值． 并
电 机 转 子 和 定 子 的 发 热 来 源 于 电 机 的 损 耗 ．电 机 的 损 耗 一 般 分 为 ４类 ： 械 损 耗 、 损 耗 、 损 耗 机 磁 电
Ｐ。 ． Ｆ ＝１ ４ 一０ １ ， ． Ｆ， （） ５
式 （） ，， １ 中 Ｑ—— 轴 承 摩擦 发热 量 ， Ｗ；
— —
摩擦 总 力矩 ， ｍ Ｎ・ ｍ；
Ｐ 为 决定 轴 承摩 擦力 矩 的计算 载荷 ， ． Ｎ
轴 承 中 径 ｄ （ ｍ） ｍ 为
矗 ： ，
１ ）主轴 密 封 要 求 比一 般 电 主轴 要 求 更 高 ．因
收 稿 日期 ： ０ ９—０ 一ｌ ２０ ９ ４ 作 者 简 介 ：王 娟 ， ， 士 研究 生 ， 究 方 向 为 高速 木 工 机 械 电 主轴 空 载 热 平衡 问题 ； 女 硕 研
汤晓华 ， ， 授 ， 男 教 主要 从 事 机 电 一 体化 及 视 频 检 测 技术 方 面 的 研 究 ．通 讯 作者
— —
荷大小 及 轴承 转速 有关 的摩 擦 力 矩 分量 ．在 滚 动轴

高速加工中心电主轴热态特性研究

高速加工中心电主轴热态特性研究
ｐｒ ｐ ｒｉｓｏ ｈ ｔ ｒｚ ｄ ｓ ｎ ｅ． ｏ ｅ ｔｅ ｆｔ ｅ ｍｏ ｏ ｉｅ ｐｉｄｌ Ｋ ｅ ｏ ｄｓ Ｍ ｏｔ ｒ ｚ ｄ ｎｄｌ Ｔｅ ｐｅ ａ ｕ ｅ Ｐｒ ｙＷ ｒ ： ｏ ｉｅ Ｓｐｉ ｅ ｍ ｒ ｔ ｒ ｏｐｅ ｔｅ Ｈ ｅ －ｇ ｎｅ ａ ｏ Ｍ ｅ ｈａｎ ｓ ｒ ｓ ｉ ａｔ ｅ ｒ ｔ ｎ ｃ ｉ ｉｍ Ｈ ｅ ｔＴｒ ｎｓｅｒＭ ｅ ｈａｎｉｍ ａ ａ ｆ ｃ ｓ
［ ］ 王 铁 山 ， 波 ． 车 摩 擦 材 料 测 试 技 术 ［ ． 春 ： 林 科 １ 曲 汽 Ｍ］ 长 吉
学 技 术 出版 社 。 ０ ． ２ ５ ０
和 △ ，的 要 求 ， 且 飞 轮 数 量 比 较 合 适 。 而
４ 讨 论 与 结 论
限 于 笔 者 知 识 的 局 限 ，没 能 对 飞 轮 进 行 断 裂 力 学
构强度 满 足要求 。
２）飞 轮 爆 裂 的 临 界 转 速 为 ２ ５ ０ ｒｍｉ 。 ０ ／ ｎ
【 ］ 郭 振 字 ， 敏 ． 于 差 异 演 化 算 法 的 高 速 储 能 飞 轮 形 状 优 ５ 叶 基
化 设 计 ［］ Ｊ． 吉林 大学 学 报 （ 工学 版 ）２ ０ ，８ １ ：０ ８ ． ，０ ８３ （ ）８ — ３
度 和 价 格 能 量 密 度 。 但 优 化 为 工 字 型 飞 轮 会 增 加 飞 轮 的 轴 向 尺 寸 ， 而 加 大 台 架 长 度 方 向 的 尺 寸 。 用 车 间 从 占
空 间会加 大 。
现 采 用 等 差 等 比综 合 法 确 定 飞 轮 惯 量 ：等 比级 差
Ａ／ － ｇ・ ２ Ｉ ＝ ｇ・ ￣ ｏ ｋ ｍ２ １ ＝ ０ ｋｇ・ ２ ／＝２ － ｋ ｍ １ ５ ｋ ｍ２ Ｉ＝１ ｇ・ ３ ２ ２ ｍ ￣４ ０

高速电主轴热态性能分析

作 为 辅 助 支 承 。 电机 转 子 和 主 轴之 间采 用 过 盈 配 合来 传递 大扭 矩 。电机 定子 采用 油 一 水循 环热 交换 系统 进行 冷却 。
之 后 使 制 造技 术产 生 第 二 次革 命 性 飞 跃 的 一 项 高
新 技 术 。实 现 高速 加 工 的关 键是 要 有 高速 机床 ，
电 机 的 损 耗 一 般 分 为 ４类 ：机 械 损 耗 、 电 损 耗 、 磁 损 耗 和 附 加 损 耗 。前 三 类 损 耗 通 常 称 为 主 要 损
耗 。 附 加 损 耗 在 总 的 损 耗 中所 占 的 比例 很 小 ，约
为 额定 功率 的 １～ ５ ％ 。
２２ 轴承 的发 热 ．
０ 引言
以高 速 度 、高 精 度 、大 进 给 为 主 要 特 征 的 高
速 加 工 是 当 代 先进 制 造 技 术 之 一 ，是 继 数 控 技 术
定 扭矩 为 ６ Ｎ ４ ｍ。该 主 轴前 端 采 用 两 套 “ 背靠 背 ”
式 的 角 接 触 轴 承 ，在 主 轴 后 端 采 用 一深 沟球 轴 承
第３ 卷 第 １ ３ 期
２ １ － （ ） ［４ ］ ０ １ １ 上 １ １
Ｍ
＝
Ｍ
Ｍ
『 Ｉ
Ｏ
３４ 电主轴 前 、后密封 环 的对 流换 热 系数 ． 电主 轴前 、后密 封环气 隙 中有轴 向流动 的气
体 ，热交换 的情 况 比较 复 杂 。由于气隙很 小 （ 为 约
．
４
＝— ＝ ＿： 一
Ｈ
（） Ｊ； 为 决定轴 承摩擦 力矩 ｅ 的计算 载荷 。 ＋
＝
，
厂 、 ， 。

高速电主轴动力学特性分析综述解析

《机械模态分析与实验》结课论文高速电主轴模态分析综述班级研1201姓名赵川学号2012020003高速电主轴模态分析综述前言高速电主轴是高速机床的核心部件, 它将机床主轴与变频电机轴合二为一, 即将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件内部, 也被称为内装式电主轴( Built- in Motor spindle) ,其间不再使用皮带或齿轮传动副。

其具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点, 并改善了机床的动平衡, 避免振动和噪声, 在超高速机床中得到广泛应用。

随着科学技术的发展，高速精密加工技术已广泛应用于高端装备制造各个行业。

高速精密数控机床目前成为现代化制造业的关键生产设备。

提高高速精密数控机床在加工运行过程中精度的可靠性、稳定性和可维护性，对提升企业竞争力越来越重要。

高速精密机床的工作性能，取决于机床的主轴系统。

主轴也是最容易失效的部位之一，主轴系统在加工过程中由于各种原因会引起回转精度劣化和功能丧失，严重影响产品加工精度和质量。

如精密车削的圆度误差30%-70%是主轴的回转误差引起。

加工的精度越高，所占的比例越大。

其动态性能的好坏对机床的切削抗振性、加工精度及表面粗糙度均有很大的影响，是制约数控机床加工精度和使用效率的关键因素。

正文高速加工技术已广泛应用于航空航天、模具及汽车制造等行业。

高速主轴在加工过程中, 由于离心力和陀螺力矩效应, 其动态特性相对静止状态发生很大改变。

若仍然利用静态主轴的动态特性参数进行高速切削稳定性分析, 会带来较大的误差。

因此有必要对高速旋转状态下的主轴进行精确建模, 以达到优化切削参数的目的。

国内电主轴的研究始于20世纪60 年代, 主要用于零件内表面磨削, 这种电主轴的功率低, 刚度小。

且采用无内圈式向心推力球轴承, 限制了高速电主轴的生产社会化和商品化。

20世纪70年代后期至80年代, 随着高速主轴轴承的开发, 研制了高刚度、高速电主轴, 它被广泛应用于各种内圆磨床和各机械制造领域。

高速电主轴热态性能的分析

高速电主轴热态性能的分析陈玉球【摘要】重点阐述了电主轴热性能的计算必要性及其计算过程,通过对某电主轴热性能的计算和有限元仿真,得出了该电主轴的热载荷、温度场分布图,达到了对该电主轴进行热校核计算的目的,对于电主轴的热性能计算和热性能仿真分析具有一定的指导意义.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2019(032)004【总页数】3页(P30-32)【关键词】热载荷;校核;有限元【作者】陈玉球【作者单位】湖南有色金属职业技术学院,湖南株洲 412006【正文语种】中文【中图分类】TD4510 引言电主轴作为加工中心的关键设备之一，大多数采用内置式的电机，因此结构尺寸小，导致散热条件不良；并且高速运转诱发轴承摩擦加剧、发热量变大。

基于上述两个方面，电主轴温升大、热变形严重，导致加工质量降低[1]，所以分析电主轴的热态特性具有重要意义。

笔者针对电主轴的热性能分析进行了详细分析，包括热量的产生、热量的传递及不同位置的热载荷的大小都进行了分析和计算；针对某特定型号的电主轴进行了热性能的理论计算和热载荷仿真分析，以期望得到得到电主轴的温度分布图，识别热载荷较大的位置，为电主轴的热性能设计提供一定的指导作用。

1 高速电主轴热计算1.1 主要部件参数西门子公司的1FE1072-4WH，其主要参数为：额定功率：28.5 kW，最高转速:24 000 r/min，额定扭矩:28 N·m，额定转速:9 700 r/min，选择日本NSK公司的45BER10S作为前端轴承，N1008MRKR作为后端轴承，其最高速度在合适的润滑及散热条件下分别可达到31 500 r/min和25 000 r/min。

1.2 高速电主轴电机发热计算电机工作时定子产生约67%的热量，其余由转子产生。

取电机功率因素为0.85，电机损耗功率4.275 kW，则定子产生热量为2.85 kW，转子产生热量为1.43 kW。

1.3 高速电主轴轴承的发热分析与计算滚动阻力的存在使得轴承在工作过程中产生大量摩擦热。

高速电主轴热态特性分析及温度预测研究

高速电主轴热态特性分析及温度预测研究高速电主轴热态特性分析及温度预测研究摘要：电主轴作为高速加工中最重要的工具之一，其热态特性对加工质量和工具寿命有着重要影响。

本研究旨在分析高速电主轴的热态特性，并通过建立数学模型来预测其温度变化，从而提供优化加工参数和冷却系统设计的理论依据。

实验结果表明，在不同工况下，高速电主轴的温度分布存在明显差异，且会随着电主轴的运转时间和负载的变化而发生改变。

1. 引言高速电主轴在现代生产中起着至关重要的作用，广泛应用于数控机床、电子制造和精密加工等领域。

电主轴的热态特性对加工质量和工具寿命有着重要影响。

因此，深入研究电主轴的热态特性，对于优化加工参数和提高加工质量具有重要意义。

2. 高速电主轴的热态特性分析2.1 实验装置为了分析高速电主轴的热态特性，我们搭建了实验装置。

该装置由电主轴、电机、冷却系统和温度传感器等组成。

实验时，我们对不同工况下的电主轴进行测试。

2.2 温度变化规律通过实验数据的分析，我们发现高速电主轴的温度存在以下规律：(1) 温度分布不均匀：电主轴的温度分布在不同部位存在明显差异。

通常来说，电主轴的轴承处温度较高，而电机部分温度较低。

(2) 运转时间对温度有影响：随着电主轴的运转时间的增加，其温度呈现出明显的升高趋势。

这是由于摩擦产生的热量在电主轴内积累导致的。

(3) 负载对温度有影响：增加电主轴的负载会导致其温度上升。

这是因为负载的增加会带来更大的摩擦力，从而产生更多的热量。

3. 高速电主轴温度预测模型建立为了准确预测高速电主轴的温度变化，我们建立了数学模型。

该模型基于热传导理论和质量守恒定律，并结合实验数据进行参数拟合。

通过该模型，我们可以预测不同运转时间和负载下电主轴的温度。

4. 实验验证和讨论我们对建立的温度预测模型进行了实验验证。

实验结果表明，该模型能够准确预测电主轴的温度变化。

同时，我们还对模型中的参数进行了敏感性分析，结果表明模型对于不同参数的变化具有一定的稳定性。

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0 引言
以高速度、高精度、大进给为主要特征的高 速加工是当代先进制造技术之一，是继数控技术 之后使制造技术产生第二次革命性飞跃的一项高 新技术 [1]。实现高速加工的关键是要有高速机床， 其中高速主轴单元是高速机床的核心部件。电主 轴在工作过程中，电机和轴承发热会使电主轴的 温度升高，由此引起的热变形如果处理不当会严 重地降低机床的加工精度。因此对电主轴的热态 性能分析是非常有必要的。
图6
电机定子、 转子随时间变化曲线（nmax = 8,000 r/min）
图 7 为轴承在不同转速下的温升曲线，从该 图可看出，主轴转速为 2,000r/min 时，前轴承油 气孔处的的温升为 11.38℃，中轴承油 - 气孔处的 温升为 14.87℃，后轴承外圈的温升 16.26℃ ；随
第33卷 第1期 2011-1(上) 【143】
着主轴转速的不断增加，轴承的温升不断增加， 在主轴转速达到 8,000r/min 时，轴承的温升达到最 高。前轴承、中轴承和后轴承的温升分别为 17℃、 20.17℃和 18.51℃。 同时还可以看出后轴承的温升在主轴转速变 化的过程中，相对前轴承和中轴承来说变化不大， 而且温升比前轴承的温升还高，其主要原因是因 为后轴承距离电机转子较近，电机转子的发热对 后轴承的发热其主导作用。
【142】 第33卷 第1期 2011-1(上)
4 电主轴油-气润滑热态特性有限元 分析
4.1 构建几何模型 电主轴整体上可视为轴对称结构，因此可将 电主轴剖面的一半用来建立有限元分析模型。电 机的定子和转子均可当作厚壁圆筒。定子冷却套 上的螺旋槽可等效为环形槽。由于轴承的旋转速 度很高，可把滚动体等效为一个圆环，其截面积 与滚动体的截面积相等。为了简化计算，忽略所 有的螺钉、通气孔、通油孔以及其他一些细小结 构。经简化后，所得的有限元分析几何模型如图 2 所示。
高速电主轴热态性能分析
Thermal properties analysis for high speed motorized spindle 刘水发 LIU Shui-fa
（广东工贸职业技术学院，广州 510510） 摘 要： 高速机床是实现高速加工的必要条件，高速电主轴是高速机床的关键部件。在高转速下， 电主轴会产生热变形，从而严重影响高速机床的加工精度。本文对车铣用电主轴的热态特 性利用ANSYS进行了基于热接触理论的有限元分析。最后提出了改进高速电主轴温度场分 布的主要措施。 关键词： 高速电主轴；热变形；ANSYS；有限元分析 中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2011)1(上)-0141-04 Doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2011.1(上).42
3 电主轴的传热机制
3.1 油-气润滑系统中轴承与压缩空气的对流换热 假设压缩空气从喷嘴冲出时为自由射流，该 射流卷吸周围的空气使流量逐渐增加；其动量沿 流动方向保持不变，为出口动量值。根据动量不 变原理，可计算出压缩空气作用于轴承 的实际空 气流量 [3]。 轴承与压缩空气的对流换热系数是主轴转速和 空气流量的函数，可用以下的多项式函数来拟合： （3） 式中：u 为轴承中的空气平均速度； 0、c1 和 c c2 为试验测得的常数。 3.2 电机与油-水热交换系统冷却油间的管内流体强迫对流换热。冷却油在管中的不同 流态具有不同的换热规律，所用的换热系数计算 公式也不相同，为此必须先算出雷诺数 Re 以判别 流态，然后选用相应的公式计算 [4]。 3.3 电机转子的传热 转子由芯部涡流产生的热量，一部分通过气 隙传递给定子，一部分传递给主轴和轴承，还有 一部分通过端部传人周围的空气。当定、转子气 隙中的气体处在纯层流状态时，热量是通过纯导 热由一个表面传到另一个表面，并且热交换强度 不取决于转速 [2]。 转子端部与周围空气进行对流和辐射换热。 该热交换的换热系数 at 可用下式表示 [5]： （4） 式中： t 为转子端部的周向速度 。 n
25.826 30.496 35.166 39.836 44.506 53.846 49.176 58.516 63.186 67.856
图4
电主轴油－气润滑温度场（nmax = 8,000 r/min）
图3
电主轴热接触有限元分析模型
4.3 高速电主轴的热态特性分析 高速电主轴的热态特性有限元分析在如下条 件下进行： 1） 主轴电机的额定的功率为 11kW，功率损失 为 2.09kW，并假设损失的功率全部转化为热，其 中电机定子占 2/3，电机转子占 1/3。 2）前轴承和中轴承采用的是角接触钢球滚 动 轴 承， 其 型 号 均 为 B7014E， 轴 承 的 内 径 为 70mm，外径为 110mm，轴承宽度为 20mm，接触 角为 25°，额定动载荷为 65.5kN，额定静载荷为 56kN；后轴承为一深沟球轴承，其型号为 6012， 轴承的内径为 60mm，外径为 95mm，额定动载荷 为 29kN，额定静载荷为 23.2kN。 3）油－水热交换系统冷却油的流量为 Q ＝ 2.5L/min，入口温度为 Tin ＝ 20℃。 4） 环境温度为 Te ＝ 20℃ ； 表 1 为电主轴的热边界条件。
图2
电主轴热接触耦合分析几何模型
4.2 单元类型的选择与划分 ANSYS 稳态热分析共提供了约四十种单元。
本 模 型 选 用 PLANE55 和 接 触 单 元 conta171 与 targe169 平面单元进行网格划分。在对电主轴的有 限元几何分析模型作上述处理后，进行单元网格划 分，如图 3 所示，共有 2257 个单元，2586 个节点。
计算结果 196.3 124.3 6264913 7164164 106.9 161.9 140.1 9.7
图 6 为电机定子和转子温度随时间变化的曲 线，电机定子、转子的温度在 2000 秒左右也达 到 热 平 衡。 达 到 热 平 衡 后， 转 子 的 最 高 温 度 为 67.86℃，定子的最高温度为 45.66℃。
1 高速电主轴结构
图 1 所示的电主轴为一车削加工中心电主轴， 其最高转速为 8,000r/min，额定功率为 11 kW，额
7 6 5 4 3 2 1
1 主轴 2 后轴承 3 电机转子
4 电机定子 5 定子冷却套 6 中轴承
7 前轴承
图1
高速电主轴结构
收稿日期：2010-08-30 基金项目：国家科技部“十·五”重点攻关项目（2001BA203B15）：高速主轴单元的研究开发与应用。 作者简介：刘水发（1970－），男，广东龙门人，实验师， 本科，研究方向为机械加工、汽车运用技术。 第33卷 第1期 2011-1(上) 【141】
温度,℃ 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 0 600 1500 2400 3200 3500 时间,s 400 1200 2000 2600 4000 电机定子温度变化曲线 电机转子温度变化曲线
电机定子和冷却油的换热系数，W/(m2 ·℃) 转子端部与周围空气的换热系数，W/(m ·℃)
5 结论
本文根据现代传热学理论，运用 ANSYS 软件 对高速电主轴进行了热态分析，结果表明： 1） 电主轴有两个主要的内部热源：内装式电 机的发热和主轴轴承的摩擦发热。 2） 主轴在中、低速的转速范围内，电主轴轴 承温升的主要原因是电机的发热；而在主轴高速 运转范围内，前、后轴承的急剧摩擦发热，是电 主轴温升增加的重要因素。 3） 轴承的温升随着油－水热交换系统冷却油 流量的增加而减小。适当地调节冷却油的流量， 可有效地降低电主轴的温升，并获得较好的温度 场分布。 4） 轴承的温升随着油－气润滑系统的压缩空 气流量的增加而减小，正确地调节压缩空气的流 量，可有效地对前、后主轴轴承起到良好的冷却 作用。 参考文献：
（2） 式中：f0 为取决于轴承设计和润滑方式的系 数； 为润滑剂在运转温度下的运动粘度；w 为轴 m 承内圈的旋转速度； m 为轴承平均直径；1 为取决 d f 于轴承设计与载荷的系数； s 为轴承的当量静载 F 荷； s 为轴承额定静载荷； b 为决定轴承摩擦力矩 C F 的计算载荷。
3.4 电主轴前、后密封环的对流换热系数 电主轴前、后密封环气隙中有轴向流动的气 体，热交换的情况比较复杂。由于气隙很小 ( 约为 0.5 mm)，在轴向流动气体的影响下，假定空气处 于紊流状态，利用下式计算努塞尔数 Nu，进而求 出对流换热系数 a： （5）
定扭矩为 64Nm。该主轴前端采用两套“背靠背” 式的角接触轴承，在主轴后端采用一深沟球轴承 作为辅助支承。电机转子和主轴之间采用过盈配 合来传递大扭矩。电机定子采用油 - 水循环热交换 系统进行冷却。
2 高速电主轴热源分析
电主轴主要有两大热源，一是电机的定子和 转子发热，二是轴承的摩擦发热。影响轴承发热 的因素主要有主轴的工作转速、油 - 气润滑介质的 粘度、油 - 气润滑的流量、轴承预紧力的大小等。 2.1 电机的损耗发热 电机定子和转子的发热来源于电机的损耗。 电机的损耗一般分为 4 类：机械损耗、电损耗、 磁损耗和附加损耗。前三类损耗通常称为主要损 耗。附加损耗在总的损耗中所占的比例很小，约 为额定功率的 1 ～ 5%[2]。 2.2 轴承的发热 根据 Palmgren 公式，轴承滚动体与滚道间接 触区的摩擦发热量为： Q = Mω （1） 式中 ： 为轴承摩擦发热量； 为轴承摩擦总 Q M 力矩； 为轴承内圈的旋转速度。 ω 轴承摩擦总力矩 M 由轴承空转时润滑剂粘性 产生的摩擦力矩 M0 和与速度无关的载荷作用 下 产生的摩擦力矩 M1 两部分组成，即 ：
（6） 式中 ：r1 为密封环气隙的平均半径；d 为定、 转子问的气隙； 为流体导热系数； 为气隙几何 H l 特征的定型尺度。 3.5 高速电主轴与外部空气的传热 高速电主轴和周围空气之间不仅进行对流传 热，同时还产生辐射传热。本文假定主轴外壳和轴 承座等的静止表面与周围的空气之间的传热为自然 对流换热，其传热系数反映了辐射传热的影响。 根据文献 [6] 中静止表面与周围空气之间的传热的 计算结果，取复合传热系数 a ＝ 9.7W/(m · ℃ )。