一种高速异步电机电主轴内外冷却结构及温度协同控制系统

摘要

本发明公开了一种高速异步电机电主轴内外冷却结构及温度协同控制系统。在电主轴轴芯处加工“鼠笼”式冷却流道，为了实现冷却通道中冷却介质的导入和导出，将高速旋转接头与电主轴轴芯后端面紧固连接；同时在电主轴壳体内和前后轴承座内分别围绕电机定子和前后轴承加工相互串联的环形冷却流道，并经壳体与外界连通。上述内部和外部冷却结构构成强制循环冷却系统，由温度协同控制系统依据关键点的温度反馈，调节内外部通道的冷却液温度、流量，实现变工况下电主轴系统的循环高效冷却。本发明可实现对高速异步电机电主轴主要发热部件如电机定转子以及前后轴承的直接、高效的协同强制循环冷却，减小电主轴热变形，提高电主轴的热稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及电主轴冷却技术领域，尤其涉及一种高速异步电机电主轴内外冷却结构及温度协同控制系统。

背景技术

大量研究与生产实践表明，在现代机械制造误差中，热变形引起的误差达50％，而在高速高精密加工中，该比例更高达60％～80％。电主轴作为高速高精密数控机床的关键部件，其性能直接影响机床的加工精度。由于电主轴电机内置、外壳封闭，使得电机功率损耗产生的热量和前后轴承摩擦产生的热量无法及时有效的导出，大量积聚在轴芯转子处，致使轴芯轴承转子部分受热膨胀，产生了严重的热变形，改变了原有零部件间的配合间隙，形成的误差叠加到加工中心点(TCP)，最终降低电主轴加工精度。

高速异步电机电主轴技术较成熟，具有运行可靠性高，高转速且可控范围广等优点。高速异步电机电主轴的热源主要包括电机和轴承两部分。轴承产热主要是由于滚动体与内外圈之间的摩擦作用以及润滑剂黏温作用；而电机产热主要包括定子绕组铜耗发热和转子铁损发热以及转子高速旋转时与周围空气摩擦所产生的热量，其中定子发热约占总发热量的2/3，转子发热约占1/3。

为了改善轴承摩擦生热状况，目前电主轴主要采用轴承油-气(雾)润滑技术，在对轴承进行润滑的同时带走部分由于轴承运行过程中由于摩擦所产生的部分热量，使得轴承散热问题得到了一定改善，但是，由于轴承内外圈之间生热、散热存在显著差异，油-气(雾)润滑冷却无法有效减小轴承内外圈之间温差，造成轴承预紧力加大，进一步加剧了轴承的摩擦发热，高速下易导致轴承烧坏。

对于电机定子的发热问题，传统电主轴通常在电机定子外加工螺旋冷却流道，利用冷却液(水或油)对电机定子和电主轴壳体进行循环冷却。然而，冷却水套只对内置电机的定子和电主轴壳体部分进行了冷却，而对转子和电主轴轴芯处没有冷却效果，使得大量热量积聚此处而无法被排走，轴芯温度不断增加。最终导致电主轴系统“外冷内热”，轴芯轴向产生热变形，严重影响了机床加工精度。针对电主轴轴芯热变形这一关键的热薄弱环节，人们提出了以下措施改善其散热问题：(1)改变传统电主轴结构：将位于前后轴承间的电机移至后轴承后端。该设计在电机散热问题上取得了一定程度的效果，但增加了主轴单元的轴向长度，在电主轴转速和负载方面有诸多的应用限制；而且主轴前、后轴承的摩擦生热并未有效地冷却，导致轴芯轴向温度梯度变化增大。(2)将热管技术应用于电主轴轴芯冷却。虽然在一定程度上对电主轴轴芯有冷却效果，由于热管本身的结构尺寸及热交换功率有限，使得该冷却方案不能有效解决电主轴长时间、大功率加工带来的散热问题。此外，其运行的稳定性和可靠性也存在问题。对电主轴系统内部和外部进行集成冷却，能有效地减小系统的热变形。因此对传统异步电机电主轴采取有效的转子和轴承集成冷却结构及系统内外同时冷却措施是非常有必要的。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高效、简单可靠的一种高速异步电机电主轴内外冷却结构及温度协同控制系统，在电主轴轴芯内部加工“鼠笼”式冷却流道，同时在电主轴壳体和前、后轴承座上加工了冷却流道，实现对高速异步电机电主轴主要发热部件：电机定子、转子和前后轴承的同时高效冷却，从而有效控制电主轴的温升，提高电主轴热稳定性和加工精度，并且通过内、外冷却结构及系统的协同控制，实现有效减小轴承内外圈及系统内外部之间的温差，提高系统运行稳定性。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案来实现：

一种高速异步电机电主轴内外冷却结构及温度协同控制系统，包括高速旋转接头以及在电主轴轴芯上加工的由多条直孔通道构成的“鼠笼”式冷却流道，“鼠笼”式冷却流道包括沿轴向开设在电主轴轴芯中心处的电主轴内部冷却入流通道以及周向均布在电主轴内部冷却入流通道外侧的若干个电主轴内部冷却回流通道，电主轴内部冷却入流通道的进口和电主轴内部冷却回流通道的出口布置于电主轴轴芯后端面，在靠近前轴承的电主轴轴芯内部加工有径向连接通道和环形连接通道，径向连接通道用于连通电主轴内部冷却入流通道和电主轴内部冷却回流通道，环形连接通道用于连通所有电主轴内部冷却回流通道；

高速旋转接头与电主轴轴芯后端面紧固连接，高速旋转接头上开设有一个进油通道和多个出油通道，电主轴内部冷却入流通道和电主轴内部冷却回流通道分别与高速旋转接头上的进油通道和多个出油通道相连；

在电主轴壳体内和前轴承座内、后轴承座内分别围绕电机定子和前、后轴承加工有相互串联的外部环形冷却流道，外部环形冷却流道依次经过定子冷却套、前轴承冷却套和后轴承冷却套，电主轴外部冷却进口和电主轴外部冷却出口均布置于电主轴后端盖上；高速旋转接头上的多个出油通道的出口与电主轴外部冷却出口均和油冷机的入口相连，油冷机的出口分别与高速旋转接头进油通道入口和电主轴外部冷却进口相连。

本发明进一步的改进在于，高速旋转接头的法兰上与电主轴轴芯后端面的对应位置上均开设有安装定位孔。

本发明进一步的改进在于，在电主轴壳体相对于电机定子处加工有相互串联的环形冷却流道，与定子冷却衬套组合成封闭的定子冷却套。

本发明进一步的改进在于，在前轴承座与电主轴前大盖之间加工有封闭环形冷却流道。

本发明进一步的改进在于，在后轴承座与电主轴壳体之间加工封闭环形冷却流道。

本发明进一步的改进在于，油冷机上设有进油口和出油口，油冷机的出油口分别通过第一单向节流阀、第二单向节流阀与高速旋转接头的进油口和电主轴外部冷却进口相连，高速旋转接头的进油口与电主轴内部冷却入流通道相连，电主轴内部冷却回流通道与高速旋转接头的出油口相连，高速旋转接头的出油口和电主轴外部冷却出口均与油箱的进油口相连，油箱的出油口与油冷机的进油口相连。

本发明进一步的改进在于，油冷机与第一单向节流阀相连的管路上设有第一压力表和第一溢流阀，油冷机与第二单向节流阀相连的管路上设有第二压力表和第二溢流阀，第一溢流阀和第二溢流阀的卸油口均与油箱的入口相连。

本发明进一步的改进在于，第一单向节流阀与高速旋转接头的进油口相连的管路上设有第一流量计和第一进口温度传感器，第二单向节流阀与电主轴外部冷却进口相连的管路上设有第二流量计和第二进口温度传感器。

本发明进一步的改进在于，高速旋转接头的出油口设有第一出口温度传感器，电主轴外部冷却出口设有第二出口温度传感器。

本发明进一步的改进在于，内外冷却温度协同控制系统依据电主轴轴承内外圈的温度反馈，并传输到温度协同控制器，通过控制油冷机制冷温度和第一单向节流阀、第二单向节流阀开度来调节电主轴内、外部冷却通道的冷却油温度、流量，从而实现变工况下电主轴系统的循环高效冷却。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的一种高速异步电机电主轴内外冷却结构及温度协同控制系统，在电主轴轴芯处加工“鼠笼”式冷却流道，同时在电主轴壳体内和前后轴承座内分别围绕电机定子和前后轴承加工相互串联的环形冷却流道。上述内部和外部强制循环冷却系统，在温度协同控制系统作用下，可同时对高速异步电机电主轴主要发热源如电机定转子和前后轴承进行高效循环冷却，且具有较好的变工况、变负荷适应性。本发明利用强制冷却对流换热效率高、循环冷却等特征，将电主轴系统产生的热量，高效导出，并在油冷机冷却下对电主轴系统进行循环冷却，有效地解决了电主轴长时间、大功率加工带来的散热问题。与无电主轴内部冷却的常规电主轴相比，在电主轴内部冷却油流量2.5L/min，转速1500r/min，负载0.8N·m时，轴芯和轴承测点温升均减小了50％左右，轴芯轴向热变形减小了50.8％，系统热平衡时间缩短了66.7％，从而进一步提高了加工精度和效率；轴芯冷却油流量从1.5L/min增大到2.5L/min时，系统热平衡时间缩短，同时，轴端径向振动量减低15％～30％。

2、在电主轴轴芯加工多个直孔冷却通道，电主轴轴芯高速旋转时，电主轴内部冷却流道内液体的轴向速度分布发生改变，产生二次流，增大了湍流程度；此外，圆台形、梯形流道使得冷却流道形成非均匀间隙且成1:5～1:20的锥度，此非均匀间隙可使旋转状态下液体均匀分布，避免振动的产生，而锥度的存在可加速流道内的冷却油流动，进一步提高传热效率；此外，螺纹流道还可以增加换热面积，从而进一步增大了电主轴内部冷却流道内对流换热强度，提高了冷却效率。

3、电主轴内部冷却入流通道位于电主轴轴芯中心线上，电主轴内部冷却回流通道沿电主轴轴芯圆周方向均匀布置，冷却流道对称设计，可最大限度减少转轴结构质量分布不均对电主轴旋转动平衡的影响。此外，环形连接通道将电主轴轴芯圆周方向上均布的电主轴内部冷却回流通道贯通，径向连接通道将电主轴内部冷却入流通道与沿电主轴轴芯圆周方向均匀布置的电主轴内部冷却回流通道连通，使电主轴内部冷却流道内冷却油均匀分布，减小主轴振动。

4、温度协同控制系统依据电主轴内外关键点的温度反馈，并传输到温度协同控制器，通过控制油冷机制冷温度和单向节流阀开度来调节电主轴内、外冷却通道的冷却油温度、流量，从而实现不同转速、不同负载等工况下电主轴系统的循环高效冷却，如此可减小电主轴系统的热平衡时间和温度梯度，减小电主轴系统热变形，提高加工效率和加工精度。

附图说明

图1为本发明高速异步电机电主轴内外冷却系统示意图；

图2为本发明高速异步电机电主轴内部冷却结构的二维、三维模拟示意图，其中，图2(b)为图2(a)的A-A向剖视图；图2(a)为直孔形流道，图2(d)为圆台形流道，图2(e)为梯形流道，图2(f)为螺纹流道；

图3为本发明高速异步电机电主轴外部冷却结构的三维模拟示意图；

图4为本发明高速异步电机电主轴内、外整体冷却结构的三维模拟示意图；

图5为本发明高速异步电机电主轴内外冷却温度协同控制系统简图。

图中：1、油冷机；2、高速旋转接头；3、安装定位孔；4、密封垫圈；5、电主轴外部冷却出口；6、电主轴轴芯；7、电主轴内部冷却入流通道；8、电主轴内部冷却回流通道；9、径向连接通道；10、环形连接通道；11、前轴承座；12、电主轴前大盖；13、前轴承冷却套；14、定子冷却衬套；15、电主轴壳体；16、定子冷却套；17、后轴承座；18、后轴承冷却套；19、电主轴后端盖；20、电主轴外部冷却进口；21、第一溢流阀；33、第二溢流阀；22、第一压力表；34、第二压力表；23、第一单向节流阀；32、第二单向节流阀；24、第一流量计；31、第二流量计；25、第一进口温度传感器；30、第二进口温度传感器；26、电主轴外部冷却结构；27、第一出口温度传感器；28、第二出口温度传感器；29、电主轴内部冷却结构；35、油箱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明：

参考附图1至图5，本发明一种高速异步电机电主轴内外冷却结构及温度协同控制系统，在电主轴轴芯6加工由多条直孔通道构成的“鼠笼”式冷却流道，同时在电主轴壳体15内和前轴承座11、后轴承座17内分别围绕电机定子和前、后轴承加工相互串联的外部环形冷却流道，流道依次经过定子冷却套16、前轴承冷却套13、后轴承冷却套18，电主轴外部冷却进口20和外部冷却出口5均布置于电主轴后端盖19上。电主轴内部冷却入流通道7位于电主轴轴芯6中心线上，电主轴内部冷却回流通道8沿电主轴轴芯6的圆周方向均匀布置。电主轴内部冷却入流通道7的进口和电主轴内部冷却回流通道8的出口布置于电主轴轴芯6后端面，在靠近前轴承的电主轴轴芯6内部加工径向连接通道9和环形连接通道10，径向连接通道9把电主轴内部冷却入流通道7和电主轴内部冷却回流通道8相连，环形连接通道10把电主轴内部冷却回流通道8连通；高速旋转接头2与电主轴轴芯6后端面紧固连接，高速旋转接头2上开设有一条进油通道和多个出油通道，电主轴内部冷却入流通道7和电主轴内部冷却回流通道8均分别与高速旋转接头2上的进油通道和多个出油通道相连，多个出油通道的出口和电主轴外部冷却出口5均与油箱35的入口相连，油箱35的出口与油冷机1的入口相连，油冷机1的出口分别与高速旋转接头2进油通道入口和电主轴外部冷却进口20相连。高速旋转接头2的法兰上与电主轴轴芯6后端面的对应位置上均开设有安装定位孔3，通过该安装定位孔3，使电主轴内部冷却入流通道7入口和电主轴内部冷却回流通道8出口与高速旋转接头2的各口对正，便于安装定位。高速旋转接头2的法兰与电主轴轴芯6后端面的安装面结合部采用密封垫圈4进行密封。

参考附图2，考虑到高速旋转管内流体在离心力作用下的流动及换热能力较差，为了进一步增强其流动换热能力，在直孔流道式轴芯冷却结构图2(a)基础上进行改进，如图2(d)、(e)和(f)，图2(d)中冷却流道为圆台形，即入流通道7进口大，出口小，内部轴芯冷却回流通道8亦如此，冷却流道壁面形成圆台形斜面，流体受高速旋转下的离心力分力的推动作用，增强其管内流动能力；图2(e)把在冷却流道中加工多个梯形，使其进口大、出口小，与图2(d)不同的是，两个梯形之间为直孔平流段；图2(f)在冷却流道壁面上加工内螺纹，螺纹一方面具有导流的作用，另一方面增大了换热面积，提高了流体流动换热能力。

参考附图5，高速异步电机电主轴内外冷却温度协同控制系统，其包括：油冷机1对冷却油进行温度调节，同时是整个系统的动力源；油箱35对冷却油进行存储和过滤；第一压力表22和第二压力表34监控冷却油管路的系统压力；第一溢流阀21和第二溢流阀33将多余的冷却油排入油箱，达到卸压保护油路的目的；第一单向节流阀23和第二单向节流阀32通过改变节流截面或节流长度来控制冷却油流量；第一流量计24和第二流量计31显示特定工况下冷却油流量，与单向节流阀配合可调节冷却油流量。第一进口温度传感器25、第二进口温度传感器30和第一出口温度传感器27、第二出口温度传感器28对内外冷却流道进出口油温进行监测。

系统工作时，由油冷机1自带油泵提供动力，将恒温冷却油从油冷机1输出。第一单向节流阀23和第二单向节流阀32控制冷却油的流量，同时保证整个系统工作时不会发生液体回流，第一溢流阀21和第二溢流阀33则通过将多余的冷却油排入油箱35以维持系统进口压力的恒定。调定压力、温度、流量后的冷却油分别进入内外冷却流道。冷却油对电主轴进行强制对流换热后，流出冷却流道再次汇入油箱35，最后进入油冷机1。冷却油在油冷机1中进行充分热交换，根据电主轴运行工况经参数调定后的冷却油可再次进入冷却循环系统，对电主轴进行循环冷却。

高速异步电机电主轴内外冷却温度协同控制系统工作过程：以轴承为例，为了达到减小轴承内外圈温差的目的，事先埋入电主轴内的温度传感器实时监测轴承内外圈温度，并传输到温度协同控制器，控制器依据轴承内外圈温度反馈，通过控制油冷机1制冷温度和第一单向节流阀23、第二单向节流阀32开度来调节内外部通道的冷却油温度、流量，从而实现变工况下电主轴系统的循环高效冷却。