CN102862092A - 一种基于分形流道的冷却套及电主轴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分形流道的冷却套，包括依次紧密套接的冷却套内圈、冷却套中圈和冷却套外圈；冷却套内圈的外壁沿圆周向设有内圈冷却单元，包括矩形分布的四个内圈工字形流道以及与其连通的内圈工字形连接流道，内圈工字形连接流道与冷却套的入水口相连；冷却套中圈沿圆周向设有与内圈冷却单元正对且连通的中圈冷却单元；冷却套的入水口与冷却套的出水口错开相对设置，本发明采用分形网络流道形成的冷却套，能够提高温度分布的均匀性以及有效散热效率。本发明还公开了一种电主轴，包括主轴、电机转子、电机定子、基于分形流道的冷却套以及外壳，能够达到减小电主轴热误差和提高加工精度的目的。

Description

一种基于分形流道的冷却套及电主轴

技术领域

本发明涉及冷却设备领域，尤其涉及一种基于分形流道的冷却套及电主轴。

背景技术

随着机床不断朝高速、高精度方向发展，数控加工机床的主轴则主要采用电主轴。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好的优点。可是电主轴的发热所造成的热误差则是制约电主轴加工精度的关键因素。大量研究表明：在精密机床中，热误差所引起的加工误差占总误差的70%左右。而电机的发热是电主轴发热的主要因素，电机定子则占电机发热量的三分之二以上，因此，如何将电机定子的发热快速有效地带走是解决该热误差的有效手段。

目前，对电机定子的冷却采用在电机定子的外圆周套上冷却套，与外围换热系统形成封闭的冷却循环系统。冷却套内的流道有螺旋形和直道形。

申请公布号为CN 101847909A的中国发明专利申请公开了一种高速车床电主轴部件冷却方法及结构，在内装式伺服电机定子与箱体之间装有轴承水套，该轴承水套外圆切有冷却腔槽及螺旋型流体通道，同时内装式伺服电机定子外壳上带有螺旋水套，轴承水套和螺旋水套两个水套通过孔串联起来，并由箱体上冷却水进口、轴承水套、内装式伺服电机定子水套、箱体上冷却水出口共同构成一个封闭的水冷却循环系统。

公开号为CN 101431277A的中国发明专利申请公开了一种高速电主轴的直水道式冷却装置，包括机壳、端盖以及后轴承室，端盖、后轴承室分别与机壳配合安装，机壳为整体式结构，机壳圆周方向上设有直孔结构的冷却水道，相邻的冷却水道在机壳与端盖、机壳与后轴承式的配合安装处相连通。

上述两个专利申请分别公开了螺旋形流道的冷却套和直道形流道的冷却套，这些结构存在着以下的技术问题：

一、采用螺旋形或者直道形冷却流道散热，其有效散热效率均不理想，需要进一步提高；

二、无论是螺旋形的还是直道形的冷却流道散热，均没有考虑到散热所需要消耗的泵功率，即当增强电机定子的散热后，驱动冷却的泵所需要的功率也在加大，这样有效散热没有增大，反而减小，导致有效散热效率下降。

在CPU散热领域，国内外的专家学者也在致力于此问题的解决。他们通过理论与实验证实了利用分形理论设计的冷却流道具有更好的散热效率。如公开号为CN 101394730A的中国发明专利申请公开了一种分形散热器，包括一个热沉块和从热沉块大体沿着径向向外延伸的多个散热肋片，至少一部分散热肋片具有分形结构，具有分形结构的散热肋片包括至少一个分支，且每个分支具有分支形式中的至少一种：a）一分为二以及b）一分为三，其有效散热效率相比之前有一定地提高，但是其有效散热效率仍不理想。

发明内容

本发明提供了一种基于分形流道的冷却套，为采用分形网络流道形成的冷却套，与外围换热系统连接起来形成循环冷却系统，能够提高温度分布的均匀性以及提高有效散热效率。

一种基于分形流道的冷却套，包括依次紧密套接的冷却套内圈、冷却套中圈和冷却套外圈；

所述冷却套内圈的外壁沿圆周向设有若干个内圈冷却单元，所述内圈冷却单元包括矩形分布的四个内圈工字形流道以及与所述四个内圈工字形流道连通的内圈工字形连接流道，所述内圈工字形连接流道与冷却套的入水口相连；

所述冷却套中圈沿圆周向设有若干个与所述内圈冷却单元正对且连通的中圈冷却单元，所述中圈冷却单元包括矩形分布的四个中圈工字形流道以及与所述四个中圈工字形流道连通的中圈工字形连接流道，所述中圈工字形连接流道与冷却套的出水口相连；

所述冷却套的入水口与冷却套的出水口错开相对设置。即冷却套的入水口位于本发明基于分形流道的冷却套轴向的一侧，冷却套的出水口位于本发明基于分形流道的冷却套轴向的另一侧。

从冷却套的入水口向本发明基于分形流道的冷却套通入冷却介质，通常选用水，冷却介质流入到内圈冷却单元中，依次经过内圈工字形连接流道和内圈工字形流道，之后冷却介质进入到冷却套中圈上的中圈冷却单元，再依次经过中圈工字形连接流道和中圈工字形流道，最后从冷却套的出水口流出，从而起到冷却作用，其冷却工作过程是一个连续的过程，基于本发明这样的冷却结构，能够提高温度分布的均匀性以及有效散热效率。

作为优选，相邻两个内圈冷却单元中的内圈工字形连接流道连通后共同接入冷却套的入水口，使得一个冷却套的入水口与两个内圈冷却单元连通，从而使得从一个冷却套的入水口流入的冷却介质分别流到两个内圈冷却单元。同理，相邻两个中圈冷却单元中的中圈工字形连接流道连通后共同接入冷却套的出水口，使得一个冷却套的出水口与两个中圈冷却单元连通，从而使得两个中圈冷却单元的冷却介质可以从一个冷却套的出水口流出。这样的设置有利于冷却介质分布的均匀性，从而提高有效散热效率。

进一步优选，所述内圈冷却单元为四个，所述中圈冷却单元为四个，从而使得本发明基于分形流道的冷却套具有上下两个冷却套的入水口以及上下两个冷却套的出水口，这种结构增加了使用的方便性，容易实施，并且能够保证具有较高的有效散热效率。

作为优选，所述中圈冷却单元中的中圈工字形流道的四个端部设有通孔，通过该通孔与所述内圈冷却单元连通。通过设置通孔，使得冷却介质在本发明基于分形流道的冷却套冷却路径最长，能够很好地提高温度分布的均匀性以及有效散热效率。

作为优选，所述内圈工字形连接流道的四个端部分别与四个内圈工字形流道的中部连接，所述中圈工字形连接流道的四个端部分别与四个中圈工字形流道的中部连接，从而大大提高冷却介质流动的均匀性，有利于温度的均匀分布，最终大大提高有效散热效率的目的。

作为优选，所述冷却套内圈、冷却套中圈和冷却套外圈均设有定位孔，从而使得安装时，所述冷却套内圈上的内圈冷却单元与所述中圈冷却单元正对，方便安装以及防止错位。

作为优选，所述冷却套内圈中的内圈工字形流道和内圈工字形连接流道以及所述冷却套中圈中的中圈工字形流道和中圈工字形连接流道的流道横截面均为矩形、梯形、三角形或者圆弧形。进一步优选，所述冷却套内圈中的内圈工字形流道和内圈工字形连接流道以及所述冷却套中圈中的中圈工字形流道和中圈工字形连接流道的流道横截面均为矩形，有利于提高温度分布的均匀性以及有效散热效率。

本发明还提供了一种电主轴，采用分形网络流道形成的冷却套，与外围换热系统连接起来形成循环冷却系统，提高有效散热效率及温度分布的均匀性，从而以消耗较小泵功率的代价加强电机定子的散热，最终达到减小电主轴热误差，提高加工精度的目的。

一种电主轴，包括主轴、电机转子、电机定子、冷却套以及外壳，所述冷却套为基于分形流道的冷却套。

作为优选，所述基于分形流道的冷却套的内圆周面与电机定子的外圆周面过盈配合，从而可以提高该基于分形流道的冷却套的有效散热效率。

本发明基于分形流道的冷却套明显提高了数控加工机床中电主轴的温度均匀性以及有效散热效率，可以提高数控加工机床中电主轴的加工精度，提高了工作稳定性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明基于分形流道的冷却套采用有效散热效率更高的分形网络流道，不仅提高了电机定子的散热量，而且使温度分布也更加均匀，提高有效散热效率，同时，还降低了驱动循环系统的泵功率的消耗，有利于延长各部件的使用寿命。

本发明基于分形流道的冷却套应用在数控加工机床的电主轴中，明显提高了数控加工机床的电主轴的温度均匀性以及有效散热效率，降低了数控加工机床的电主轴的温升，保证了数控加工机床的电主轴的加工精度，提高了工作稳定性。

附图说明

图1为现有技术中螺旋形流道的冷却套的结构示意图；

图2为本发明数控加工机床的电主轴的内部结构示意图；

图3为本发明基于分形流道的冷却套的分体结构示意图。

图4为本发明基于分形流道的冷却套与现有技术中螺旋形流道的冷却套的有效散热系数比较图。

具体实施方式

如图1所示，为现有技术中螺旋形流道的冷却套，采用螺旋形流道。

如图2所示，为本发明数控加工机床的电主轴，包括主轴1、用于支撑主轴1的前轴承6和后轴承7、套在主轴1上的电机转子2、设置在电机转子2外侧且与电机转子2留有一定间隙的电机定子3、固定在电机定子3的外圆周的基于分形流道的冷却套4以及外壳5。电机转子2与主轴1过盈配合，输出扭矩，电机转子2和电机定子3之间留有一定的间隙，从而能够相对转动。电机定子3、基于分形流道的冷却套4以及外壳5三者固定，具体为，电机定子3的外圆周面与基于分形流道的冷却套4的内圆周面过盈配合，基于分形流道的冷却套4外圆周面再与外壳5固定。基于分形流道的冷却套4与外面换热系统形成冷却循环系统。

如图3所示，为方便直观地了解本发明基于分形流道的冷却套结构，将依次紧密套接的冷却套内圈41、冷却套中圈42和冷却套外圈43分开，分别如图3中a部分、图3中b部分以及图3中c部分所示，即实际上本发明基于分形流道的冷却套4包括依次紧密套接的冷却套内圈41、冷却套中圈42和冷却套外圈43。如图3中a部分所示，冷却套内圈41的外壁沿沿圆周向设有四个内圈冷却单元，每个内圈冷却单元包括矩形分布的四个内圈工字形流道以及与该四个内圈工字形流道连通的内圈工字形连接流道，该内圈工字形连接流道的四个端部分别与四个内圈工字形流道的中部连接，相邻两个内圈冷却单元中的内圈工字形连接流道连通后共同接入冷却套的入水口，即四个内圈冷却单元需要设置上下两个冷却套的入水口。冷却套内圈41中的内圈工字形流道和内圈工字形连接流道的流道横截面均为矩形。如图3中b部分所示，冷却套中圈42沿圆周向设有四个与内圈冷却单元正对且连通的中圈冷却单元，中圈冷却单元包括矩形分布的四个中圈工字形流道以及与四个中圈工字形流道连通的中圈工字形连接流道，中圈工字形连接流道的四个端部分别与四个中圈工字形流道的中部连接，相邻两个中圈冷却单元中的中圈工字形连接流道连通后共同接入冷却套的出水口，即四个中圈冷却单元需要设置上下两个冷却套的出水口。冷却套中圈42中的中圈工字形流道和中圈工字形连接流道的流道横截面均为矩形。中圈冷却单元中的中圈工字形流道的四个端部设有通孔，通过该通孔与内圈冷却单元连通。

如图3所示，冷却套的入水口与冷却套的出水口错开相对设置。即冷却套的入水口位于本发明基于分形流道的冷却套4轴向的一侧，冷却套的出水口位于本发明基于分形流道的冷却套4轴向的另一侧。

如图3所示，冷却套内圈41、冷却套中圈42和冷却套外圈43均设有定位孔，冷却套内圈上的定位孔44，其他两个定位孔未标出。

本发明基于分形流道的冷却套优化设计原理如下：

$\frac{L_{k+1}}{L_k}=\mathrm{\γ}=N^{-\frac{1}{D}}---\left(1\right)$

$\frac{d_{k+1}}{d_k}=\mathrm{\β}=N^{-\frac{1}{\mathrm{\Δ}}}---\left(2\right)$

$d=\frac{4A}{P_E}---\left(3\right)$

式（1）、（2）、（3）中L表示长度，圆周方向表弧长，轴向表轴向长度，d表示等效水力直径，A表示流道横截面积，P_E表示横截面的周长，k表示分级数，γ表示第(k+1)级长度与第k级长度之比，β表示第（k+1）级直径与第k级直径之比，N表示分叉数（即上一级流道到下一级流道的分流数），D表示长度分形维数，Δ表示直径分形维数。

此冷却套的分形流道是二分叉，N=2，根据Murray定律，Δ=3时为最优值，D根据流道分布均匀，尽可能充满冷却套空间但不重叠，流阻与热阻最小这些条件选定。

根据分形理论设计出合适的分形网络流道后，还需要有效散热系数来表示有效散热效率，衡量散热性能，通过消耗较小的泵功率达到最大散热的目的。

$\mathrm{COP}=\frac{Q}{P}=\frac{\mathrm{\ρ}{C}_p(T_{\mathrm{out}}-T_{\mathrm{in}})q_V}{q_V(p_{\mathrm{in}}-p_{\mathrm{out}})}=\frac{\mathrm{\ρ}{C}_p(T_{\mathrm{out}}-T_{\mathrm{in}})}{(p_{\mathrm{in}}-p_{\mathrm{out}})}---\left(4\right)$

式（4）中COP表示有效散热系数，Q表示单位时间散热量，P为所消耗的泵功率，ρ表示流体密度，Cp表示流体定压比热容，q_V表示体积流率，T表示温度，p表示压强。COP越大表明有效散热效率越高。

因此，上述具体的基于分形流道的冷却套4以及本发明数控加工机床的电主轴均为最优选的结构。

本发明基于分形流道的冷却套4内部流道利用分形理论设计，本发明基于分形流道的冷却套4采用铜或铜合金材料，先加工出定位孔，分体加工，分别加工出冷却套内圈分形流道、冷却套中圈分形流道及冷却套外圈43，通过定位孔过盈配合组成一体。工作时，恒温冷却水从冷却套的入水口流入，在分形流道中吸收电机定子3中的热量，然后从冷却套的出水口流回到外围换热系统，交换热量，冷却水即可循环使用。根据电主轴温度变化，在入口处调节冷却水流量大小，即可达到控制温升的效果，同时达到最大散热效率。

本发明还做了一个对比：本发明基于分形流道的冷却套4与现有技术中螺旋形流道的冷却套（如图1所示）做一个比较。两者具有相同的对流换热面积。本发明基于分形流道的冷却套4的外径Φ100mm，内径Φ80mm，长75mm，冷却套的入水口的水力直径为4.27mm，长37.5mm，直径分形维数取3，长度分形维数根据流道分布均匀，尽可能充满冷却套空间但不重叠，流阻与热阻最小的原则确定最优值为2.2，螺旋形流道的冷却套的入水口水力直径和分形流道相同。在两个冷却套的内径圆柱面上加载10000W/m²热流密度，冷却套的入口处冷却水的温度为17℃，调节冷却水流入的体积流量，得到不同流速下基于分形流道的冷却套4和螺旋形流道的冷却套的有效散热系数，最后的结果如图4所示。从图4可以看出，随入口雷诺数（Re_in，无量纲数）增大，有效散热系数（COP，无量纲数）在不断减小，本发明基于分形流道的冷却套4的散热效率明显高于现有技术中螺旋形流道的冷却套，约是其2倍。可见，本发明基于分形流道的冷却套4明显提高了有效散热效率及温度均匀性，降低了本发明数控加工机床的电主轴的温升，保证了本发明数控加工机床的电主轴的加工精度，提高了工作稳定性。

Claims (10)

1.一种基于分形流道的冷却套，其特征在于，包括依次紧密套接的冷却套内圈、冷却套中圈和冷却套外圈；

所述冷却套内圈的外壁沿圆周向设有若干个内圈冷却单元，所述内圈冷却单元包括矩形分布的四个内圈工字形流道以及与所述四个内圈工字形流道连通的内圈工字形连接流道，所述内圈工字形连接流道与冷却套的入水口相连；

所述冷却套中圈沿圆周向设有若干个与所述内圈冷却单元正对且连通的中圈冷却单元，所述中圈冷却单元包括矩形分布的四个中圈工字形流道以及与所述四个中圈工字形流道连通的中圈工字形连接流道，所述中圈工字形连接流道与冷却套的出水口相连；

所述冷却套的入水口与冷却套的出水口错开相对设置。

2.根据权利要求1所述的基于分形流道的冷却套，其特征在于，相邻两个内圈冷却单元中的内圈工字形连接流道连通后共同接入冷却套的入水口；

相邻两个中圈冷却单元中的中圈工字形连接流道连通后共同接入冷却套的出水口。

3.根据权利要求2所述的基于分形流道的冷却套，其特征在于，所述内圈冷却单元为四个，所述中圈冷却单元为四个。

4.根据权利要求1所述的基于分形流道的冷却套，其特征在于，所述中圈冷却单元中的中圈工字形流道的四个端部设有通孔，通过该通孔与所述内圈冷却单元连通。

5.根据权利要求1所述的基于分形流道的冷却套，其特征在于，所述内圈工字形连接流道的四个端部分别与四个内圈工字形流道的中部连接，所述中圈工字形连接流道的四个端部分别与四个中圈工字形流道的中部连接。

6.根据权利要求1所述的基于分形流道的冷却套，其特征在于，所述冷却套内圈、冷却套中圈和冷却套外圈均设有定位孔。

7.根据权利要求1所述的基于分形流道的冷却套，其特征在于，所述冷却套内圈中的内圈工字形流道和内圈工字形连接流道以及所述冷却套中圈中的中圈工字形流道和中圈工字形连接流道的流道横截面均为矩形、梯形、三角形或者圆弧形。

8.根据权利要求7所述的基于分形流道的冷却套，其特征在于，所述冷却套内圈中的内圈工字形流道和内圈工字形连接流道以及所述冷却套中圈中的中圈工字形流道和中圈工字形连接流道的流道横截面均为矩形。

9.一种电主轴，包括主轴、电机转子、电机定子、冷却套以及外壳，其特征在于，所述冷却套为权利要求1~8任一项所述的基于分形流道的冷却套。

10.根据权利要求9所述的电主轴，其特征在于，所述基于分形流道的冷却套的内圆周面与电机定子的外圆周面过盈配合。

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