[发明专利]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

说明书

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。

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：