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技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

An internal and external cooling structure and temperature coordinated control system for high speed asynchronous motor motorized spindle

The invention discloses an internal and external cooling structure of high speed asynchronous motor motorized spindle and a temperature synergistic control system. The spindle shaft processing \squirrel cage\ type cooling channel, in order to realize the import and export of the cooling medium in the cooling channels, high-speed rotating joint and the spindle shaft end after fastening; while the electric main shaft casing and bearing seat ring around respectively before and after the cooling passage of motor stator and bearing each other before and after processing in series, and the shell is communicated with the outside. The above internal and external cooling structures constitute a forced circulation cooling system. The temperature cooperative control system regulates the coolant temperature and flow rate of the internal and external channels according to the temperature feedback of key points, so as to realize the circular efficient cooling of the motorized spindle system under variable conditions. The invention can directly and efficiently cooperate the forced circulation cooling for the main heating parts of the high-speed asynchronous motor spindle, such as the stator and rotor of the motor and the front and rear bearings, so as to reduce the thermal deformation of the motorized spindle and improve the thermal stability of the motorized spindle.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及电主轴冷却
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术进一步的改进在于，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。本专利技术进一步的改进在于，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。本专利技术进一步的改进在于，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。本专利技术进一步的改进在于，在后轴承座与电主轴壳体之间加工封闭环形冷却流道。本专利技术进一步的改进在于，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。本专利技术进一步的改进在于，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。本专利技术进一步的改进在于，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。本专利技术进一步的改进在于，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。本专利技术进一步的改进在于，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。本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于，包括高速旋转接头(2)以及在电主轴轴芯(6)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(6)中心处的电主轴内部冷却入流通道(7)以及周向均布在电主轴内部冷却入流通道(7)外侧的若干个电主轴内部冷却回流通道(8)，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)内部加工有径向连接通道(9)和环形连接通道(10)，径向连接通道(9)用于连通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)，环形连接通道(10)用于连通所有电主轴内部冷却回流通道(8)；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)上开设有一个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)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；在电主轴壳体(15)内和前轴承座(11)内、后轴承座(17)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(16)、前轴承冷却套(13)和后轴承冷却套(18)，电主轴外部冷却进口(20)和电主轴外部冷却出口(5)均布置于电主轴后端盖(19)上；高速旋转接头(2)上的多个出油通道的出口与电主轴外部冷却出口(5)均和油冷机(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。...

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，包括高速旋转接头(2)以及在电主轴轴芯(6)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(6)中心处的电主轴内部冷却入流通道(7)以及周向均布在电主轴内部冷却入流通道(7)外侧的若干个电主轴内部冷却回流通道(8)，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)内部加工有径向连接通道(9)和环形连接通道(10)，径向连接通道(9)用于连通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)，环形连接通道(10)用于连通所有电主轴内部冷却回流通道(8)；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)上开设有一个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)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；在电主轴壳体(15)内和前轴承座(11)内、后轴承座(17)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(16)、前轴承冷却套(13)和后轴承冷却套(18)，电主轴外部冷却进口(20)和电主轴外部冷却出口(5)均布置于电主轴后端盖(19)上；高速旋转接头(2)上的多个出油通道的出口与电主轴外部冷却出口(5)均和油冷机(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。2.根据权利要求1所述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，其特征在于，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)。3.根据权利要求1所述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，其特征在于，在电主轴壳体(15)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(14)组合成封闭的定子冷却套(16)。4.根据权利要求1所述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，其特征在于，在前轴承座(11)与电主轴前大盖(12)之间加工有封闭...

【专利技术属性】
技术研发人员：史晓军，朱科，高建民，李法敬，王维库，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61