高速电主轴热态特性的研究
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来 ， 因此可 做成 “ 主轴 单 与 主 轴 做 成 一 体 ，主 轴 由前 后 端 的 轴承 支 撑 ， 电
元 ” ，俗 称 “ 主 轴 ” 。电 主 轴 易 于 实现 主 轴 定 电 位 ，是高 速主 轴单 元 中 的一种 理想 结构 ｎ。 】
高速 电主 轴是 高速机 床 的核心 部件 ，也 是该 类
訇 似
式 中 ：Ｑ是热 源 的发热 量 ；ｖ 是热 源 的体积 。 ３２１ 电动机生热率的计 算 －＿ 电主 轴 额 定输 出 功 率Ｐ ＝ ．ＫＷ ， 率 损 失 为 ７５ 功
１８ ５ Ｗ ，并 假 设 损 失 的功 率全 部 转 化 为 热 ，其 ．７ Ｋ
中电机 定子 占２３电机转 子 占１３ ／， ／ ，定子 和转 子可 视 为 厚 壁 圆筒 ，定 子 的 发热 量 为 １２ ．ＫＷ ，定 子 的 体 积 为００ ３ ｍ３ 子 的 发热 量 为 ０６ ５ ．０ ｌ ， 转 ．２ ＫＷ ，转 子 的 体 积 为００ １ ｍ ．０ ５ ，根 据公 式 （ ）计算 得 出 定子 和 ２ 转 子 的 生 热 率 分 别 为 ４０ Ｘ ０ Ｗ ／ ． １ ｍ 和 ４
（ 沈阳工业大学 机械工程学 院，沈 阳 １０ ７ １ ８ ０）
摘
要 ： 绍了高速电主轴的基本结构 ，建立 电主轴热态特性分析的有限 元模 型 ，并用有限元软件对模 介 型进行 了温度场 的分析 ，从 而获得 电主轴温 度场的信 息 ，为控 制 电主轴 的温度提供有 力的依
据。基于上述分析 ，提出改善 电主轴热态特性的方法和措施 。 关键词 ：电主轴 ； 态特 性 ；有限元 热 中图分 类号 ：Ｔ １ ４ Ｋ ２ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ －０ ３ （０ １１ （Ｉ －０ １ － ３ ９ １ ４ ２ １ ） １ － １ １ ０ ０ ）
我们 要对其 热 态特性 进行 研 究分析 ，从 而达 到高 精
度的要 求 ，热稳 定性 问题 是高 速 电主轴 最为关 键 的
问题之 一 。
２１ 内装式 电机的损耗发热 ． 本 文 研 究 电主 轴 的 额 定 功 率 为 Ｐ ７５ ＝ ．ＫＷ ，
转 速 范 围 ｎ ３ ０ — １ ０ ０ ／ ｎ， 根 据 公 式 为 ００ ２ ０ ｒｍｉ Ｔ ９ ４ ／， 出电机 的扭 矩 为２ ．Ｎ 电机 的定 ＝ ５ ９ Ｐｎ得 Ｘ ３６ ｍ．
Ｄｏ ： ． ９ ９ ｊｉｓ ． ０ ９ ０ ４ ２ １ ． １ － ． ２ ｉ １ ３ ６ ／ ． ｎ １ ０ － １ ． ０ １ １ （Ｉ ３ ０ ｓ ３ ）
０ 引言
目前 ， 随着 电气 传动 技 术 的迅速 发 展 和 日趋 完
善 ，高 速数 控 机床 主 传动
系 统 的机械 结 构 已得 到极
收稿 日期 ：２ １－０－２ ０１ ５ ０ 作者简介 ：孙兴伟 （ ９ ０一），女 ，辽 宁朝阳人 ，副教授 ，博士 ，研究方 向为复杂 曲面数控加工与控制技 术、曲面数控 １７
加 工轨迹 优化 、曲面测 量与反求技术 。
第３ 卷 ３
第 １期 Ｏ
２ １—１ （ ） ［ １ １ ０ １ １ 上 １ １
４１ ．２Ｘ１ ／ 。 ０ Ｗ ｍ
产 生 的摩 擦 力 矩Ｍ 与速 度无 关 的载 荷作 用下 产 和 生 的摩擦 力矩Ｍ， 分组 成 ，即 两部
Ｍ ＝ Ｍ ＋Ｍ
…
动机 的定子 通过 冷却 套安 装在 主轴 的壳 体 中。
２ 电主轴 的热源分析
高 速 电主 轴 两 个 主 要 的 内部 热 源 是 内装 式 电 机 的损耗 发 热和轴 承 的磨损 发 热 。
机 床 的主 要热 源 。由于转 速和 精度 要求 都 比较 高 ，
但是转速高机床就很容易热变形，与高精度背道而 驰 。所 以就 需要 电主 轴 有很 好 的冷 却 系统 口。所 以 】
ｌ
匐 似
高速 电主 轴热态特性的研究
Ｒｅｓ ｅａｒ ｈｅｒ ａｌｃｈａｒ ｔ ｉ ｉ ｏｒ ｈｉ ｃｈ ｏｎ ｔ ｍ ａｃ ｅｒｓｔｃｓ ｆ ｇｈ ｓｐｅｅｄ ｍ ｏｔ ｉｅｄ ｐｉ ｅ ｏｒｚ ｓ ｎｄｌ
孙兴伟 ，王 聪，王 可，王远涛
ＳＵＮ Ｘｉｇ ｗｅ ， ＡＮＧ ｎ ， Ｖ ｎ ． ｉＷ Ｃｏ ｇ Ｖ ＡＮＧ ， ＡＮＧ ａ ． ｏ Ｋｅ Ｗ Ｙｕ ｎ ｔ ａ
大 的简 化 ，基 本上 取 消 了
带轮 传 动和Βιβλιοθήκη Baidu齿 轮传 动 。机
床 主轴 由内装 式 电动机 直 接 驱动 ，这 种 主轴 电动 机
与机 床 主轴 “ 二 为一 ” 合
的 传动 结构 形 式 ，使 主轴 部件 从机 床 的 传动 系统 和 整 体 结 构 中 相 对 独 立 出
１ 高速 电主轴结构
高 速 电 主轴 的基 本 结构 如 图 ｌ ｆ ，它 是 由主 ｐ示 ） 轴 ，主 轴 箱 体 ，无 外 壳 电动 机 ，冷 却 装 置 和 轴 承 等 一 系列 装 置 所 组 成 ， 电动 机 的转 子 用 压 配 方 法
子 和 转 子 的 发热 来 源 于 电机 的损 耗 。主 要 包 括 机 械 损 耗 、 电 损耗 、磁 损 耗 。 电机 的损 耗 功 率 一般 为 电机 额 定 功 率 的２ ％￣ ５ ０ ２ ％， 因此 ，该 电主 轴 的 损 耗 功 率为 １ ７ ＫＷ， 中２３ 量 由定子 产生 ，约 ．５ ８ 其 ／热 为 １ Ｋ ，３ ． Ｗ １ 热量 由转 子产 生 ，约为０６ ５ Ｗ 。 ２ ／ ．２Ｋ
务ｌ
２２轴承的摩擦发热 ． 根 据Ｐ ｌ ｒｎ ａｍｇｅ 公式 ，轴 承滚动 体 与滚道 间接触
区 的摩擦 发热 量为Ｑ＝ Ｍｗ， Ｑ为发 热量 ；Ｍ为 轴 承摩 擦 总 力矩 ；Ｗ为 内圈的旋 转速 度 。 】
轴 承 摩 擦 总 力 矩Ｍ 由轴 承 空 转 时 润 滑 剂 粘 性
元 ” ，俗 称 “ 主 轴 ” 。电 主 轴 易 于 实现 主 轴 定 电 位 ，是高 速主 轴单 元 中 的一种 理想 结构 ｎ。 】
高速 电主 轴是 高速机 床 的核心 部件 ，也 是该 类
訇 似
式 中 ：Ｑ是热 源 的发热 量 ；ｖ 是热 源 的体积 。 ３２１ 电动机生热率的计 算 －＿ 电主 轴 额 定输 出 功 率Ｐ ＝ ．ＫＷ ， 率 损 失 为 ７５ 功
１８ ５ Ｗ ，并 假 设 损 失 的功 率全 部 转 化 为 热 ，其 ．７ Ｋ
中电机 定子 占２３电机转 子 占１３ ／， ／ ，定子 和转 子可 视 为 厚 壁 圆筒 ，定 子 的 发热 量 为 １２ ．ＫＷ ，定 子 的 体 积 为００ ３ ｍ３ 子 的 发热 量 为 ０６ ５ ．０ ｌ ， 转 ．２ ＫＷ ，转 子 的 体 积 为００ １ ｍ ．０ ５ ，根 据公 式 （ ）计算 得 出 定子 和 ２ 转 子 的 生 热 率 分 别 为 ４０ Ｘ ０ Ｗ ／ ． １ ｍ 和 ４
（ 沈阳工业大学 机械工程学 院，沈 阳 １０ ７ １ ８ ０）
摘
要 ： 绍了高速电主轴的基本结构 ，建立 电主轴热态特性分析的有限 元模 型 ，并用有限元软件对模 介 型进行 了温度场 的分析 ，从 而获得 电主轴温 度场的信 息 ，为控 制 电主轴 的温度提供有 力的依
据。基于上述分析 ，提出改善 电主轴热态特性的方法和措施 。 关键词 ：电主轴 ； 态特 性 ；有限元 热 中图分 类号 ：Ｔ １ ４ Ｋ ２ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ －０ ３ （０ １１ （Ｉ －０ １ － ３ ９ １ ４ ２ １ ） １ － １ １ ０ ０ ）
我们 要对其 热 态特性 进行 研 究分析 ，从 而达 到高 精
度的要 求 ，热稳 定性 问题 是高 速 电主轴 最为关 键 的
问题之 一 。
２１ 内装式 电机的损耗发热 ． 本 文 研 究 电主 轴 的 额 定 功 率 为 Ｐ ７５ ＝ ．ＫＷ ，
转 速 范 围 ｎ ３ ０ — １ ０ ０ ／ ｎ， 根 据 公 式 为 ００ ２ ０ ｒｍｉ Ｔ ９ ４ ／， 出电机 的扭 矩 为２ ．Ｎ 电机 的定 ＝ ５ ９ Ｐｎ得 Ｘ ３６ ｍ．
Ｄｏ ： ． ９ ９ ｊｉｓ ． ０ ９ ０ ４ ２ １ ． １ － ． ２ ｉ １ ３ ６ ／ ． ｎ １ ０ － １ ． ０ １ １ （Ｉ ３ ０ ｓ ３ ）
０ 引言
目前 ， 随着 电气 传动 技 术 的迅速 发 展 和 日趋 完
善 ，高 速数 控 机床 主 传动
系 统 的机械 结 构 已得 到极
收稿 日期 ：２ １－０－２ ０１ ５ ０ 作者简介 ：孙兴伟 （ ９ ０一），女 ，辽 宁朝阳人 ，副教授 ，博士 ，研究方 向为复杂 曲面数控加工与控制技 术、曲面数控 １７
加 工轨迹 优化 、曲面测 量与反求技术 。
第３ 卷 ３
第 １期 Ｏ
２ １—１ （ ） ［ １ １ ０ １ １ 上 １ １
４１ ．２Ｘ１ ／ 。 ０ Ｗ ｍ
产 生 的摩 擦 力 矩Ｍ 与速 度无 关 的载 荷作 用下 产 和 生 的摩擦 力矩Ｍ， 分组 成 ，即 两部
Ｍ ＝ Ｍ ＋Ｍ
…
动机 的定子 通过 冷却 套安 装在 主轴 的壳 体 中。
２ 电主轴 的热源分析
高 速 电主 轴 两 个 主 要 的 内部 热 源 是 内装 式 电 机 的损耗 发 热和轴 承 的磨损 发 热 。
机 床 的主 要热 源 。由于转 速和 精度 要求 都 比较 高 ，
但是转速高机床就很容易热变形，与高精度背道而 驰 。所 以就 需要 电主 轴 有很 好 的冷 却 系统 口。所 以 】
ｌ
匐 似
高速 电主 轴热态特性的研究
Ｒｅｓ ｅａｒ ｈｅｒ ａｌｃｈａｒ ｔ ｉ ｉ ｏｒ ｈｉ ｃｈ ｏｎ ｔ ｍ ａｃ ｅｒｓｔｃｓ ｆ ｇｈ ｓｐｅｅｄ ｍ ｏｔ ｉｅｄ ｐｉ ｅ ｏｒｚ ｓ ｎｄｌ
孙兴伟 ，王 聪，王 可，王远涛
ＳＵＮ Ｘｉｇ ｗｅ ， ＡＮＧ ｎ ， Ｖ ｎ ． ｉＷ Ｃｏ ｇ Ｖ ＡＮＧ ， ＡＮＧ ａ ． ｏ Ｋｅ Ｗ Ｙｕ ｎ ｔ ａ
大 的简 化 ，基 本上 取 消 了
带轮 传 动和Βιβλιοθήκη Baidu齿 轮传 动 。机
床 主轴 由内装 式 电动机 直 接 驱动 ，这 种 主轴 电动 机
与机 床 主轴 “ 二 为一 ” 合
的 传动 结构 形 式 ，使 主轴 部件 从机 床 的 传动 系统 和 整 体 结 构 中 相 对 独 立 出
１ 高速 电主轴结构
高 速 电 主轴 的基 本 结构 如 图 ｌ ｆ ，它 是 由主 ｐ示 ） 轴 ，主 轴 箱 体 ，无 外 壳 电动 机 ，冷 却 装 置 和 轴 承 等 一 系列 装 置 所 组 成 ， 电动 机 的转 子 用 压 配 方 法
子 和 转 子 的 发热 来 源 于 电机 的损 耗 。主 要 包 括 机 械 损 耗 、 电 损耗 、磁 损 耗 。 电机 的损 耗 功 率 一般 为 电机 额 定 功 率 的２ ％￣ ５ ０ ２ ％， 因此 ，该 电主 轴 的 损 耗 功 率为 １ ７ ＫＷ， 中２３ 量 由定子 产生 ，约 ．５ ８ 其 ／热 为 １ Ｋ ，３ ． Ｗ １ 热量 由转 子产 生 ，约为０６ ５ Ｗ 。 ２ ／ ．２Ｋ
务ｌ
２２轴承的摩擦发热 ． 根 据Ｐ ｌ ｒｎ ａｍｇｅ 公式 ，轴 承滚动 体 与滚道 间接触
区 的摩擦 发热 量为Ｑ＝ Ｍｗ， Ｑ为发 热量 ；Ｍ为 轴 承摩 擦 总 力矩 ；Ｗ为 内圈的旋 转速 度 。 】
轴 承 摩 擦 总 力 矩Ｍ 由轴 承 空 转 时 润 滑 剂 粘 性