CN107717625A - 一种用于高速电主轴内部腔室冷却的径向旋转热管结构 - Google Patents

一种用于高速电主轴内部腔室冷却的径向旋转热管结构 Download PDF

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Abstract

一种用于高速电主轴内部腔室冷却的径向旋转热管结构，在电主轴内的电机定子、电机转子前端、后端的转轴安装有径向旋转热管组件，用于引出电子定子和电机转子之间的气隙，以及前后轴承组外圈产生的热量；径向旋转热管组件包括三根及三根以上均布的径向旋转热管，各根径向旋转热管之间通过中心处的连通腔相互连通，连通腔中部的安装环固定在转轴上，每根径向旋转热管由三部分组成：顶部的蒸发段、中部的绝热段和底部的冷凝段，径向旋转热管的管道长度需使得安装好后的径向旋转热管的蒸发段正好位于电机定子与电机转子之间的气隙处；本发明减小主轴热变形，提高加工精度，同时还具有可靠性高、对电主轴原有结构改动较小和成本低廉等优点。

Description

一种用于高速电主轴内部腔室冷却的径向旋转热管结构
技术领域
本发明涉及高速电主轴冷却技术领域，尤其涉及一种用于高速电主轴内部腔室冷却的径向旋转热管结构。
背景技术
电主轴热态特性是衡量主轴系统整体工作性能的重要指标，减小高速主轴系统的热变形已经成为提高电主轴加工精度的重要因素之一。由于电主轴自身结构因素的限制，导致电机及轴承所产生的热量积聚在电机定转子间隙和轴承外圈等部位而无法被及时有效的导出，致使转子和轴承外圈受热膨胀，引起主轴配合尺寸发生变化，最终影响到主轴的加工精度。
电主轴的热源主要包括电机和轴承两部分。由于轴承滚动体与其内外圈之间的摩擦作用造成轴承发热，引起的温升将导致内外圈沟道和滚动体发生热位移，会对轴承的刚度和动力学特性产生影响，进而影响到电主轴轴承-转子系统的动力学特性；而电机产热的原因主要包括定子绕组铜耗发热、转子铁损发热以及转子高速旋转时摩擦周围空气所产生的热量，其中定子的发热约占总发热量的2/3，而转子的发热约占到1/3。主轴和转子温度的升高将引起转轴的轴向位移，对电主轴的轴承刚度以及轴承-转子系统动力学特性造成显著的影响。
对于轴承产热的生热问题，目前常用的解决办法是轴承的油-气(雾)润滑技术，在对轴承进行润滑的同时带走部分热量，使得轴承的发热问题得到一定程度的改善。对于电机定子的发热问题，目前常用的办法是在定子外侧壳体上加工出螺旋冷却流道，利用冷却水(或油)的循环流动，通过对流换热带走电机定子的部分热量。而对于电机转子的发热问题，现有的解决方案是将高压冷却流体利用旋转密封接头通入转轴轴芯处的冷却流道，利用冷却工质在轴心处的循环流动，实现轴心内部热量的引出。但是该方法存在以下弊端：①高转速下通入冷却流体的旋转密封成本较高；②根据有关的试验结果，在电主轴的运行过程中，前、后轴承的外圈及底座、电机的定子与转子之间的气隙等部位温升明显，而这些位置在结构上距离主轴回转轴心较远，因而采用向转轴轴心通入冷却液的方式对解决这些部位发热问题来说作用有限；③通常情况下，通入转轴轴心的冷却流体直接喷射到被加工件上，虽然可以同时起到降低加工刀具温升的作用，但容易造成浪费，不符合绿色制造、节能环保的要求。因此，该电主轴轴心冷却方案在实际中的应用较少。
综上，目前广泛应用的电主轴冷却系统包括：针对轴承的油-气(雾)润滑冷却系统以及针对电机定子的螺旋水套冷却系统。而针对前、后轴承外圈及底座，内装电机定、转子之间气隙等热量易堆积区域则缺乏有效的热引出方法，导致电主轴内的热量不断堆积而形成“外冷内热”的温度分布格局，进而导致热变形的产生，严重制约了数控机床的加工精度的提高。因此，解决电主轴轴心的冷却问题，成为进一步提高数控机床加工精度的关键。
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出一种用于高速电主轴内部腔室冷却的径向旋转热管结构，实现电主轴内腔热量的快速引出，有效的控制电主轴轴承和电主轴转轴的温升，减小主轴热变形，提高加工精度，同时还具有可靠性高、对电主轴原有结构改动较小和成本低廉等优点。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于高速电主轴内部腔室冷却的径向旋转热管结构，包括内部加工有中心通孔的转轴1，转轴1前端通过前轴承组3支撑在电主轴外壳4前端，并通过安装在前轴承组件3外侧的前端盖2实现密封和固定；转轴1中部和电机转子6过盈配合在一起，和电机转子6配合的电机定子5固定在电主轴外壳4上，电机定子5、电机转子6构成主轴电机；转轴1后端通过后轴承组7支撑在电主轴外壳4后端，并通过安装在后轴承组7外侧的后端盖8实现密封和固定。
在电机定子5、电机转子6前端、后端的转轴1安装有径向旋转热管组件10，一组用于引出电机定子5与电机转子6之间的气隙，以及前轴承组3的外圈产生的热量，另外一组用于引出电子定子5和电机转子6之间的气隙，以及后轴承组7外圈产生的热量。
所述的径向旋转热管组件10包括三根及三根以上均布的径向旋转热管，各根径向旋转热管之间通过中心处的连通腔10-5相互连通，连通腔10-5中部的安装环10-4固定在转轴1上，安装环10-4上设有安装槽道10-6；每根径向旋转热管由三部分组成：顶部的蒸发段10-1、中部的绝热段10-2和底部的冷凝段10-3，径向旋转热管的管道长度需使得安装好后的径向旋转热管的蒸发段10-1正好位于电机定子5与电机转子6之间的气隙处。
所述的径向旋转热管组件10在排除径向旋转热管内部不可凝结性气体并抽真空后，填充15％～30％传热工质。
所述的转轴1的外壁面上加工出径向旋转热管组件10的安装槽道。
所述的转轴1末端处设有轴心冷却喷头9，轴心冷却喷头9通过向转轴1的中心通孔内喷射冷却液或气体实现转轴1心部的冷却。
本发明的有益效果为：
本发明借助径向旋转热管组件10良好的径向传热能力，将电主轴中远离转轴1的热量(尤其是前轴承组3和后轴承组7外圈，以及电机定子5与电机转子6之间的气隙)引出至转轴1，再利用转轴1的导热作用，实现电主轴运行过程中内部腔室热量的散出。为了强化径向旋转热管组件10的换热效果，采用轴心冷却喷头9向转轴1心部的通孔处注入冷却液体或气体。整个冷却方案实施相对简单，成本较低，对电主轴的原有结构改动较小，同时，可有效控制电主轴内部腔室的温升，降低冷却成本，提高其加工精度，具有结构紧凑、运行稳定、散热效率高等特点。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是图1中径向旋转热管组件10的A-A截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
参照图1，一种用于高速电主轴内部腔室冷却的径向旋转热管结构，包括内部加工有中心通孔的转轴1，转轴1前端通过前轴承组3支撑在电主轴外壳4前端，并通过安装在前轴承组件3外侧的前端盖2实现密封和固定；转轴1中部和电机转子6过盈配合在一起，和电机转子6配合的电机定子5固定在电主轴外壳4上，电机定子5、电机转子6构成主轴电机；转轴1后端通过后轴承组7支撑在电主轴外壳4后端，并通过安装在后轴承组7外侧的后端盖8实现密封和固定。
在电机定子5、电机转子6前端、后端的转轴1安装有径向旋转热管组件10，一组用于引出电机定子5与电机转子6之间的气隙，以及前轴承组3的外圈产生的热量，另外一组用于引出电子定子5和电机转子6之间的气隙，以及后轴承组7外圈产生的热量。
参照图2，所述的径向旋转热管组件10包括四根均布的径向旋转热管，两两之间相互垂直，连通腔10-5中部的安装环10-4固定在转轴1上，安装环10-4上设有安装槽道10-6；各根径向旋转热管之间通过中心处的连通腔10-5相互连通，连通腔10-5可以保证径向旋转热管组件10在旋转状态时，四根均布的径向旋转热管中的传热工质在离心力作用下沿圆周方向均匀分布，确保液态工质的旋转不会对转轴1的动平衡精度造成显著影响，在具体实施过程中不必拘泥于四根，可以根据实际情况调整径向旋转热管的数目，但需考虑到数目和布置方式对转轴1平衡精度的影响；每根径向旋转热管由三部分组成：顶部的蒸发段10-1、中部的绝热段10-2和底部的冷凝段10-3，径向旋转热管的管道长度需使得安装好后的径向旋转热管的蒸发段10-1正好位于电机定子5与电机转子6之间的气隙处，如此设计的主要考虑是这些位置上温度较高，有助于径向旋转热管组件10的起动，提高径向旋转热管的换热效率。
所述的径向旋转热管组件10在排除径向旋转热管内部不可凝结性气体并抽真空后，填充15％～30％传热工质，在具体实施时可以根据实际情况开展径向旋转热管组件10的传热性能实验，得到对应的最佳充液率。
所述的转轴1的外壁面上加工出径向旋转热管组件10的安装槽道，用于径向旋转热管组件10的安装、固定，各个位置上对应的径向旋转热管组件10需要根据具体安装位置大小进行设计、加工，充液完成后，再安装到转轴1上。
所述的转轴1末端处设有轴心冷却喷头9，轴心冷却喷头9通过向转轴1的中心通孔内喷射冷却液或气体实现转轴1心部的冷却，主要作用有两个：其一是冷却液或气体可以直接带走转轴1心部的热量，二是喷射冷却液或气体可以增大径向旋转热管组件10的蒸发段10-1和冷凝段10-3之间的温差，强化其相变换热能力。
本发明的工作原理为：
在工作状态下，转轴1旋转带动径向旋转热管组件10转动，其内部传热流体在离心力的作用下,汇聚到径向旋转热管顶部的蒸发段10-1，随着转轴1的持续运行，电机定子5与电机转子6之间的气隙，前轴承组3以及后轴承组7的外圈将会产生大量热量，从而使蒸发段10-1内的液态工质发生相变，当气态工质经由绝热段10-2流动到温度较低的冷凝段10-3后，会凝结成液态，而冷凝后的工质随即在高速旋转产生的离心力作用下返回到径向旋转热管组件10顶部的蒸发段10-1，从而完成传热循环。

Claims (5)

1.一种用于高速电主轴内部腔室冷却的径向旋转热管结构，包括内部加工有中心通孔的转轴(1)，转轴(1)前端通过前轴承组(3)支撑在电主轴外壳(4)前端，并通过安装在前轴承组件(3)外侧的前端盖(2)实现密封和固定；转轴(1)中部和电机转子(6)过盈配合在一起，和电机转子(6)配合的电机定子(5)固定在电主轴外壳(4)上，电机定子(5)、电机转子(6)构成主轴电机；转轴(1)后端通过后轴承组(7)支撑在电主轴外壳(4)后端，并通过安装在后轴承组(7)外侧的后端盖(8)实现密封和固定；其特征在于：
在电机定子(5)、电机转子(6)前端、后端的转轴(1)安装有径向旋转热管组件(10)，一组用于引出电机定子(5)与电机转子(6)之间的气隙，以及前轴承组(3)的外圈产生的热量，另外一组用于引出电子定子(5)和电机转子(6)之间的气隙，以及后轴承组(7)外圈产生的热量。
2.根据权利要求1所述的一种用于高速电主轴内部腔室冷却的径向旋转热管结构，其特征在于：所述的径向旋转热管组件(10)包括三根及三根以上均布的径向旋转热管，各根径向旋转热管之间通过中心处的连通腔(10-5)相互连通，连通腔(10-5)中部的安装环(10-4)固定在转轴(1)上，安装环(10-4)上设有安装槽道(10-6)；每根径向旋转热管由三部分组成：顶部的蒸发段(10-1)、中部的绝热段(10-2)和底部的冷凝段(10-3)，径向旋转热管的管道长度需使得安装好后的径向旋转热管的蒸发段(10-1)正好位于电机定子(5)与电机转子(6)之间的气隙处。
3.根据权利要求1所述的一种用于高速电主轴内部腔室冷却的径向旋转热管结构，其特征在于：所述的径向旋转热管组件(10)在排除径向旋转热管内部不可凝结性气体并抽真空后，填充15％～30％传热工质。
4.根据权利要求1所述的一种用于高速电主轴内部腔室冷却的径向旋转热管结构，其特征在于：所述的转轴(1)的外壁面上加工出径向旋转热管组件(10)的安装槽道。
5.根据权利要求1所述的一种用于高速电主轴内部腔室冷却的径向旋转热管结构，其特征在于：所述的转轴(1)末端处设有轴心冷却喷头(9)，轴心冷却喷头(9)通过向转轴(1)的中心通孔内喷射冷却液或气体实现转轴(1)心部的冷却。
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