【摘要】：為了分析電主軸氣隙與熱變形之間的耦合關(guān)系,采用有限元軟件建立溫度場(chǎng)-結(jié)構(gòu)場(chǎng)耦合模型,數(shù)值模擬分析氣隙大小及運(yùn)行過(guò)程中氣隙變化對(duì)100MD60Y4電主軸溫度及熱變形的影響,并通過(guò)熱變形試驗(yàn)加以驗(yàn)證。試驗(yàn)及仿真綜合結(jié)果表明:電主軸氣隙與熱變形之間存在耦合關(guān)系,定子溫度及轉(zhuǎn)軸熱變形量隨著氣隙的增大而增加,電主軸在運(yùn)行過(guò)程中,氣隙隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而減小,同時(shí)定子溫度和轉(zhuǎn)軸軸向熱變形量大幅度增加。研究結(jié)果為電主軸氣隙優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的依據(jù)。
【圖文】：

aftaxialthermaldeformationincreasedgreatlyandtheresultsprovideabasisfortheoptimizationdesignofairgap．Keywords:airgap;motorizedspindle;finiteelement;thermaldeformation0引言作為高速數(shù)控機(jī)床的核心部件，電主軸的熱變形極大影響著機(jī)床的加工精度。電主軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于內(nèi)部電動(dòng)機(jī)的損耗生熱，會(huì)引起轉(zhuǎn)軸熱變形［1］。經(jīng)有關(guān)研究顯示，由于熱變形而引起的加工誤差已達(dá)到40%～70%，是影響機(jī)床加工精度的主要原因之一［2］。電主軸主要是由定子、轉(zhuǎn)子、軸承、轉(zhuǎn)軸、水套、殼體構(gòu)成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。電主軸熱源主要是電機(jī)和軸承，即電機(jī)損耗和軸承摩擦損耗，電機(jī)損耗主要為定子損耗和轉(zhuǎn)子損耗［3］。由于主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)外熱源共同作用引起其內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱量，形成非均勻的溫度場(chǎng)，從而發(fā)生熱變形［4－5］。電主軸定子通過(guò)冷卻水進(jìn)行水冷卻，，實(shí)踐表明，冷卻效果較好。而轉(zhuǎn)子則通過(guò)定轉(zhuǎn)子間氣隙中壓縮空氣的對(duì)流換熱來(lái)帶走部分熱量，因此氣隙大小是影響壓縮空氣在定轉(zhuǎn)子間對(duì)流換熱能力的重要參數(shù)之一。在氣隙對(duì)定轉(zhuǎn)子換熱系數(shù)的影響研究上，Chen［6］等人指出氣隙的減小會(huì)改變對(duì)流換熱系數(shù)，從而改變熱傳遞和熱分布;李特［7］等人指出對(duì)流換熱系數(shù)隨著氣隙長(zhǎng)度增加而降低，使得定轉(zhuǎn)子間傳熱受到抑制。圖1電主軸基本結(jié)構(gòu)圖氣隙大小影響電主軸電機(jī)損耗。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在氣隙對(duì)電機(jī)損耗研究方面取得了一些成果。國(guó)外學(xué)者M(jìn)Valtonen［8］研究氣隙長(zhǎng)度對(duì)軸向磁通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)性能的影響，發(fā)現(xiàn)改變氣隙長(zhǎng)度會(huì)增大定子銅損失和減少轉(zhuǎn)子諧波渦流損耗;JH

損耗大小;邢建斌［11］等人研究高壓電機(jī)氣隙長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)子損耗的關(guān)系，說(shuō)明氣隙長(zhǎng)度具有減小轉(zhuǎn)子脈振損耗降低轉(zhuǎn)子溫度的作用;李玉山［12］等使用ANSOFT軟件建立三相異步電機(jī)模型，分析得出隨著氣隙增大，定子電流增加，渦流損耗減小，同時(shí)氣隙磁密功率因數(shù)和效率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。上述研究表明，電主軸氣隙與熱變形存在耦合關(guān)系，電主軸氣隙與熱變形間的耦合關(guān)系為復(fù)雜的非線性關(guān)系，一方面電主軸氣隙影響其生熱與換熱，另一方面，電主軸的生熱量及換熱效果也影響著氣隙的變化。電主軸氣隙與熱變形的耦合關(guān)系如圖2所示。目前，針對(duì)電主軸熱變形的研究很多，但考慮電主軸氣隙與熱變形耦合關(guān)系的研究較少。因此，本文以100MD60Y4型號(hào)電主軸為研究對(duì)象，采用有限元軟件建立1/4三維主軸溫度場(chǎng)－結(jié)構(gòu)場(chǎng)耦合模型，分析氣隙的變化與電主軸熱變形的復(fù)雜耦合關(guān)系，對(duì)電主軸氣隙優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。圖2氣隙與電主軸溫度及熱變形的耦合關(guān)系1理論分析及計(jì)算1．1氣隙與轉(zhuǎn)子脈振損耗的關(guān)系式根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)理論可知，電機(jī)轉(zhuǎn)子脈振損耗計(jì)算公式［11］:pp2=0．07z1n2b2012(5δ+b01)t2Bt[]22Gi2×10－6(1)式中:z1為定子槽數(shù);n為電機(jī)轉(zhuǎn)速;b01為定子槽口寬度;t2為轉(zhuǎn)子齒距;δ為定轉(zhuǎn)子之間的間隙;B為脈振磁通密度;Gi2為轉(zhuǎn)子齒部重量。由式(1)可知，氣隙與轉(zhuǎn)子脈振損耗值有著直接的關(guān)系。1．2氣隙與定轉(zhuǎn)子間換熱系數(shù)的關(guān)系式對(duì)于電主軸系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，溫升最顯著的部分為前軸承、后軸承、轉(zhuǎn)子和定子。轉(zhuǎn)子的熱傳遞情況比較復(fù)雜，一部分與氣隙冷卻氣體發(fā)生對(duì)流換熱，另一部分傳導(dǎo)給主軸。對(duì)于通有壓縮空氣的電主軸，壓縮空氣在定子和轉(zhuǎn)子間處于層流狀態(tài)，熱量在兩個(gè)表面間以
【作者單位】： 沈陽(yáng)建筑大學(xué);
【基金】：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51375317) 遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015020122) 國(guó)家(地方)聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(SJSC-2015-6)
【分類(lèi)號(hào)】：TM302

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