CN108199533A - 一种电主轴液态金属温控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电主轴技术领域，尤其涉及一种电主轴液态金属温控系统。本发明提供的电主轴液态金属温控系统，包括控制系统、电主轴壳体及电主轴单元，电主轴壳体与电主轴单元之间设有一个封闭且填充有液态金属的冷却液回流管路；冷却液回流管路上设有用于泵送液态金属的电磁泵，电磁泵与控制系统连接。通过采用液态金属作为冷却液的介质，热传导性能好，且可选用未氧化且熔点温度接近电主轴单元的最佳工作温度的液态金属类型，并能通过控制系统对电磁泵的流量进行调节，通过改变流量对冷却液回流管路的温度进行有效调节，从而进一步地提高散热效果。另外，结构紧凑，设计合理，也无需在电主轴壳体外额外设置冷却及温控装置，有效降低了生产成本。

Description

一种电主轴液态金属温控系统

技术领域

本发明涉及电主轴技术领域，尤其涉及一种电主轴液态金属温控系统。

背景技术

高速加工机床电主轴单元(HVCT)简称“电主轴”，是近几年数控机床领域上将机床主轴和主轴电机融为一体的新技术。电主轴是一套组件，包括电主轴本体、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。这种主轴电动机和机床主轴合二为一的传送方式将主轴部件与机床传动系统独立开来，因此电主轴又称电主轴单元。其采用的是高频交流电机，因而又称高频主轴。电主轴没有中间传动链，故又称直接传动主轴，它真正实现了主轴的零传动。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。电主轴轴承采用高速轴承技术，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍。

电主轴高速旋转下各个部件都会发热，由于各个部件热膨胀系数不同，发热后电主轴各部件以及电主轴与机床各部件的尺寸和相对位置都会发生变化，由于热膨胀，电主轴的热膨胀将会使加工误差变大。主轴高速加工中，由于主轴各部件刚度和精度都很高，负载却不是很大，因而由变形引起的误差通常是非常小的，因此由热膨胀引起的误差成为影响加工精度的主要因素。

有关人士统计，精密加工中，由热膨胀引起的制造误差占总体制造误差的40％-70％，如果电主轴热变形处理不当，将会严重影响机床的加工精度。因此一套用效的冷却系统来控制主轴温升，减小其热膨胀，对于提高主轴性能和使用寿命是很有必要的。

目前，电主轴冷却系统均为水冷或油冷，但这两种冷却方式的结构几乎完全一样。这种冷却系统由内循环流道、进水口、出水口、热交换机、水箱、水泵、控制阀和控制系统组成，其中冷却液可以为油或水也可以是其他特殊冷却介质。该冷却系统的优点是冷却液较为常见易更换。缺点也很明显，如冷却系统庞大、成本高、易泄露、冷却效果不太理想及耗能大，这种缺点导致现在电主轴价格高昂，很难再低端机床上大规模使用，这成了限制电主轴发展的一个缺口。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是：提供一种结构紧凑、设计合理、散热效果好且生产成本低的电主轴液态金属温控系统，以解决现有的电主轴散热装置体积大、易泄露和成本高的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电主轴液态金属温控系统，包括控制系统、电主轴壳体以及设置在电主轴壳体内的电主轴单元，所述电主轴壳体与电主轴单元之间设有一个封闭且填充有液态金属的冷却液回流管路；所述冷却液回流管路上设有用于泵送所述液态金属的电磁泵，所述电磁泵与所述控制系统连接。

作为上述技术方案的优选，还包括与所述电主轴壳体的后端连接的散热装置，所述电主轴单元包括两端转动连接在所述电主轴壳体内的主轴本体，所述散热装置包括散热腔及固设于所述主轴本体后端的转子风扇，所述散热腔与所述电主轴壳体的后端形成一个封闭的散热区且所述散热腔对应于所述转子风扇设有散热窗。

作为上述技术方案的优选，所述电主轴壳体包括电主轴外壳、前端盖、前端外套及后端盖，所述电主轴外壳的前、后端通过连接件分别与所述前端盖及后端盖固定连接，所述前端外套设于所述前端盖上。

作为上述技术方案的优选，所述电主轴单元还包括与所述电主轴外壳连接的电机定子，所述冷却液回流管路包括依次连接并形成闭合回路的第一流道、第二流道、第三流道、定子散热流道、第四流道及前端轴承散热流道；所述定子散热流道设于所述电机定子与电主轴外壳之间，所述前端轴承散热流道设于所述前端外套与前端盖之间。

作为上述技术方案的优选，所述第一流道与所述第二流道之间设有集热装置，所述集热装置包括集热块及与所述集热块连接的散热翅片，且所述散热翅片位于所述散热装置的散热腔内。

作为上述技术方案的优选，所述定子散热流道包括环形定子散热流道、螺旋形定子散热流道或鼠笼型定子散热流道；所述前端轴承散热流道包括环形前端轴承散热流道、螺旋形前端轴承散热流道或鼠笼型前端轴承散热流道。

作为上述技术方案的优选，所述电机定子对应于所述定子散热流道且与所述电主轴外壳的连接处设有密封槽，且所述密封槽上设有密封圈，以防止冷却液泄露。

作为上述技术方案的优选，所述电磁泵设于所述第二流道与所述第三流道之间，且所述电磁泵固设于所述电主轴外壳上。

作为上述技术方案的优选，所述电主轴外壳上设有与所述冷却液回流管路连通的冷却液注入口。

作为上述技术方案的优选，所述电主轴单元还包括前端轴承组及后端轴承组，所述主轴本体的前端、后端分别通过前端轴承组及后端轴承组与所述电主轴壳体可转动连接。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明提供了一种电主轴液态金属温控系统，包括控制系统、电主轴壳体以及设置在电主轴壳体内的电主轴单元，电主轴壳体与电主轴单元之间设有一个封闭且填充有液态金属的冷却液回流管路；冷却液回流管路上设有用于泵送液态金属的电磁泵，电磁泵与控制系统连接。本申请提供的电主轴液态金属温控系统，采用液态金属作为冷却液的介质，热传导性能好，散热效率高，体积小，可以节约电主轴整体空间；且可选用未氧化且熔点温度接近电主轴单元的最佳工作温度的液态金属类型，散热效果好；并能通过控制系统对电磁泵的流量进行调节，通过改变流量对冷却液回流管路的温度进行有效调节，从而进一步地提高散热效果，以利于确保电主轴能始终处于有效的工作状态。另外，本申请提供的电主轴液态金属温控系统，结构紧凑，设计合理，又可以省去水冷所需的水冷系统和较长的水泵送管路，节约了能源消耗，有效降低了生产成本，经济性好，且适用范围广。

除了上述所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步的说明。

附图说明

图1是本发明一种电主轴液态金属温控系统实施例的电主轴液态金属温控系统的结构示意图；

图2是本发明一种电主轴液态金属温控系统实施例的集热块和散热翅片的正面示意图；

图3是本发明一种电主轴液态金属温控系统实施例的集热块和散热翅片的侧面示意图。

图中：1：前端轴承组；2：前端外套；3：松拉刀机构；4：主轴本体；5：前端盖；6：第一流道；7：电机定子；8：电机转子；9：冷却液注入口；10：密封圈；11：电机电缆；12：后端盖；13：集热块；14：散热翅片；15：转子风扇；16：散热窗；17：后端轴承组；18：第二流道；19：电磁泵；20：第三流道；21：定子散热流道；22：电主轴外壳；23：第四流道；24：前端轴承散热流道。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需说明的是，本发明提供的电主轴液态金属温控系统不局限应用于数控机床设备，只要能运用电主轴的地方都能采用这种电主轴液态金属温控系统。

如图1至图3所示，本发明实施例提供了一种电主轴液态金属温控系统，包括控制系统、电主轴壳体以及设置在电主轴壳体内的电主轴单元，电主轴壳体与电主轴单元之间设有一个封闭且填充有液态金属的冷却液回流管路；冷却液回流管路上设有用于泵送液态金属的电磁泵19，电磁泵19与控制系统连接。

具体地，本申请采用液态金属作为冷却液的介质，可以充分利用液态金属的优异热传导性以能对电主轴单元进行有效的散热；进一步优选的，选用未氧化且熔点温度接近电主轴单元的最佳工作温度的液态金属类型，利于进一步地提高散热效果；同时，通过控制系统对电磁泵19的流量进行调节，通过改变流量对冷却液回流管路的温度进行有效调节，从而又进一步地提高散热效果，以利于确保电主轴能始终处于有效的工作状态。

另外，本申请提供的电主轴液态金属温控系统，结构紧凑，设计合理，也无需在电主轴壳体外额外设置冷却及温控装置，有效降低了生产成本，经济性好，且适用范围广。

作为上述技术方案的优选，液态金属材料中可以通过掺入具有良好导热系数的材料如石墨微粒、金属粉末等，以增加液态金属的热传导性能。

作为上述技术方案的优选，还包括与电主轴壳体的后端连接的散热装置，电主轴单元包括两端转动连接在电主轴壳体内的主轴本体4，散热装置包括散热腔及固设于主轴本体4后端的转子风扇15，散热腔与电主轴壳体的后端形成一个封闭的散热区且散热腔对应于转子风扇15设有散热窗16。

为进一步地提高对电主轴单元的散热效果，本申请提供的电主轴液态金属温控系统还包括散热装置。具体地，散热装置包括散热腔、转子风扇15及散热窗16，转子风扇15固设于主轴本体4的后端，转子风扇15随着主轴本体4的转动而转动，以将散热腔内的热量经由散热窗16传出电主轴壳体外。其中，转子风扇15通过高速旋转对电主轴单元进行强制对流换热，散热窗16为强制对流换热的散热窗16口。

进一步地，将转子风扇15与主轴本体4同心设置，也降低惯性对主轴本体4精度的影响，利于提高电主轴总体的性能；另转子风扇15与主轴本体4同步转动，这样可以省去控制系统对转子风扇15单独控制的情况而改为仅对电磁泵19流量的控制。

与传统的散热装置相比，不需要额外消耗电能，而是利用电主轴单元的主轴本体4部分驱动，即本申请提供的散热装置利用电主轴单元的主轴本体4作为动力，转速随主轴本体4转速改变，实现对主轴本体4进行强制对流散热，使电主轴单元冷却降温。由此，因不需要额外消耗电能，可减少整个电主轴总体的能耗，又可使电主轴散发的体积大大缩小，成本大大降低，提高电主轴总体的经济性和安全性；既能实现对电主轴单元进行有效的散热冷却，又可以提高电主轴单元的精度，节约了能源消耗，提高电主轴总体的性能。

本实施例提供的电主轴液态金属温控系统，主轴本体4转速快，转子风扇15排风量加大，此时主轴本体4温升明显，电磁泵19流量增大；主轴本体4转速慢，风扇排风量小，此时主轴本体4温升明显可以加大电磁泵19流量。这种控制系统简单便捷，控制方便，易实现。

作为上述技术方案的优选，电主轴壳体包括电主轴外壳22、前端盖5、前端外套2及后端盖12，电主轴外壳22的前、后端通过连接件分别与前端盖5及后端盖12固定连接，前端外套2设于前端盖5上。

在本实施例中，电主轴壳体包括电主轴外壳22、前端盖5、前端外套2及后端盖12，电主轴外壳22与前端盖5和后端盖12通过螺栓连接，结构简单，加工工艺简便，利于降低生产成本且固定效果好；并采用圆柱销进行定位，利于提高定位精度，利于保障第一流道6和第四流道23的联通性。

作为上述技术方案的优选，电主轴单元还包括与电主轴外壳22连接的电机定子7，冷却液回流管路包括依次连接并形成闭合回路的第一流道6、第二流道18、第三流道20、定子散热流道21、第四流道23及前端轴承散热流道24；定子散热流道21设于电机定子7与电主轴外壳22之间，以对电机定子7进行有效的散热；前端轴承散热流道24设于前端外套2与前端盖5之间，以对前端轴承组1进行有效的散热。

在本实施例中，冷却液回流管路包括依次设置的第一流道6、第二流道18、第三流道20、定子散热流道21、第四流道23及前端轴承散热流道24，以形成闭合的冷却回路，且相邻两个流道之间的连接需密封良好，如前端盖5与前端外套2密封良好，电主轴外壳22与电机定子7连接稳固并且密封良好；第二流道18与第三流道20密封良好；第一流道6与第二流道18密封良好，以保证冷却液流道的完全密封，严格禁止冷却液泄露。

作为上述技术方案的优选，第一流道6与第二流道18之间设有集热装置，集热装置包括集热块13及与集热块13连接的散热翅片14，且散热翅片14位于散热装置的散热腔内。

集热装置用于对电机定子7和前端轴承组1散发的热量进行收集和运送。具体地，在本实施例中，集热装置包括集热块13及散热翅片14，且散热翅片14位于散热装置的散热腔内，由此，集热块13收集冷却液带来的热量，传给散热翅片14，再由转子风扇15带走热量。

优选的，集热块13采用导热率较高的紫铜材质制成，散热翅片14为环形散热翅片14且环形散热翅片14采用导热率较高的紫铜材质制成，集热块13与散热翅片14二者可加工为一个整体，以提高整个电主轴总体的装配效率；其中，集热块13与环形散热翅片14需以足够大的接触面积连接，提高散热效果；集热块13为内部中空的结构，其内部为冷却液腔室且腔室为环形，腔室内表面尽量不光滑，以能增加表面与冷却液的接触面积，进而利于增加集热块13吸热率，以保证收集热量的及时散发。

进一步地，电主轴单元还包括设于电机定子7与主轴本体4之间的电机转子8，电机定子7上面缠绕线圈，且电机定子7与电机转子8要求极高的同心度；另，电机定子7上的线圈通过电机电缆11伸出电主轴壳体外，并与外接电源连接；松拉刀机构3设于主轴本体1内。

在上述方案的基础上，集热块13安装在后端盖12上，且集热块13与后端盖12有足够大的接触面积，保证后端盖12与后端轴承组17之间的热量能够通过后端盖12传给集热块13，从而对所述后端轴承组17进行有效的散热，并且对后端轴承组17起到一定温控作用。

作为上述技术方案的优选，定子散热流道21包括环形定子散热流道21、螺旋形定子散热流道21或鼠笼型定子散热流道21；前端轴承散热流道24包括环形前端轴承散热流道24、螺旋形前端轴承散热流道24或鼠笼型前端轴承散热流道24。

优选的，定子散热流道21可以为环形定子散热流道21、螺旋形定子散热流道21或鼠笼型定子散热流道21的一种，以增加冷却液的流路路径，进而利于有效提高对电机定子7的散热效果。具体地，定子散热流道21可根据实际实施条件来合理选择散热流道的结构类型，以能实现较优的散热效果，确保电主轴单元能有效工作。

与定子散热流道21类似，前端轴承散热流道24也可以为环形前端轴承散热流道24、螺旋形前端轴承散热流道24或鼠笼型前端轴承散热流道24的一种，以增加冷却液的流路路径，进而利于有效提高对前端轴承组1的散热效果。具体地，前端轴承散热流道24可根据实际实施条件来合理选择散热流道的结构类型，以能实现较优的散热效果，确保电主轴单元能有效工作。

作为上述技术方案的优选，电机定子7对应于定子散热流道21且与电主轴外壳22的连接处设有密封槽，且密封槽上设有密封圈10，以防止冷却液泄露。

为进一步地提高电主轴液态金属温控系统的密封效果，电机定子7的外侧铣出定子散热流道21，且电机定子7与电主轴外壳22紧紧的装配在一起；另电机定子7上铣出套有密封圈10的密封槽，以防止冷却液从电机定子7与电主轴外壳22之间的缝隙处泄露出去。

作为上述技术方案的优选，电磁泵19设于第二流道18与第三流道20之间，且电磁泵19固设于电主轴外壳22上，为冷却液回流管路提供动力。

具体地，在本实施例中，电磁泵19安装在电主轴外壳22上，且电磁泵19的入口与集热块13通过第二流道18相连，电磁泵19的出口与定子散热流道21通过第三流道20相连。其中，电磁泵19只能泵送导电流体，不能泵送普通非导电流体；电磁泵19的泵送流量受控制系统控制，对冷却液进行一定速度的泵送，进而能够更加精确的对电主轴单元散热。

作为上述技术方案的优选，电主轴外壳22上设有与冷却液回流管路连通的冷却液注入口9。

具体地，在本实施例中，电主轴外壳22上设有冷却液注入口9，冷却液从冷却液注入口9注入冷却液回流管路中，结构简单，操作简便。需说明的是，在冷却液注入完成后，需对冷却液注入口9进行严格密封作业，以防止冷却液泄漏。

作为上述技术方案的优选，电主轴单元还包括前端轴承组1及后端轴承组17，主轴本体4的前端、后端分别通过前端轴承组1及后端轴承组17与电主轴壳体可转动连接。

在本实施例中，主轴本体4的两端分别通过前端轴承组1及后端轴承组17与电主轴壳体可转动连接，结构简单，设计合理且连接效果好。

本实施例提供的一种电主轴液态金属温控系统，符合理论设计要求，因此应用于数控电机床中可以保证系统的稳定运行；其次，本系统原理简单，效果显著，符合节能应用技术推广的前提条件，在保证系统稳定运行的前提下，散热效果良好，对提高电主轴单元散热有显著作用；同时，独立的设计和合理的搭配，对原设备运行无影响，且适用于几乎全部工况。

综上所述，本发明提供了一种电主轴液态金属温控系统，包括控制系统、电主轴壳体以及设置在电主轴壳体内的电主轴单元，电主轴壳体与电主轴单元之间设有一个封闭且填充有液态金属的冷却液回流管路；冷却液回流管路上设有用于泵送液态金属的电磁泵，电磁泵与控制系统连接。本申请提供的电主轴液态金属温控系统，采用液态金属作为冷却液的介质，热传导性能好，散热效率高，体积小，可以节约电主轴整体空间；且可选用未氧化且熔点温度接近电主轴单元的最佳工作温度的液态金属类型，散热效果好；并能通过控制系统对电磁泵的流量进行调节，通过改变流量对冷却液回流管路的温度进行有效调节，从而进一步地提高散热效果，以利于确保电主轴能始终处于有效的工作状态。另外，本申请提供的电主轴液态金属温控系统，结构紧凑，设计合理，又可以省去水冷所需的水冷系统和较长的水泵送管路，节约了能源消耗，有效降低了生产成本，经济性好，且适用范围广；实用性强，利于进行标准化生产及推广。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电主轴液态金属温控系统，其特征在于：包括控制系统、电主轴壳体以及设置在电主轴壳体内的电主轴单元，所述电主轴壳体与电主轴单元之间设有一个封闭且填充有液态金属的冷却液回流管路；所述冷却液回流管路上设有用于泵送所述液态金属的电磁泵，所述电磁泵与所述控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的电主轴液态金属温控系统，其特征在于：还包括与所述电主轴壳体的后端连接的散热装置，所述电主轴单元包括两端转动连接在所述电主轴壳体内的主轴本体，所述散热装置包括散热腔及固设于所述主轴本体后端的转子风扇，所述散热腔与所述电主轴壳体的后端形成一个封闭的散热区且所述散热腔对应于所述转子风扇设有散热窗。

3.根据权利要求2所述的电主轴液态金属温控系统，其特征在于：所述电主轴壳体包括电主轴外壳、前端盖、前端外套及后端盖，所述电主轴外壳的前、后端通过连接件分别与所述前端盖及后端盖固定连接，所述前端外套设于所述前端盖上。

4.根据权利要求3所述的电主轴液态金属温控系统，其特征在于：所述电主轴单元还包括与所述电主轴外壳连接的电机定子，所述冷却液回流管路包括依次连接并形成闭合回路的第一流道、第二流道、第三流道、定子散热流道、第四流道及前端轴承散热流道；所述定子散热流道设于所述电机定子与电主轴外壳之间，所述前端轴承散热流道设于所述前端外套与前端盖之间。

5.根据权利要求4所述的电主轴液态金属温控系统，其特征在于：所述第一流道与所述第二流道之间设有集热装置，所述集热装置包括集热块及与所述集热块连接的散热翅片，且所述散热翅片位于所述散热装置的散热腔内。

6.根据权利要求4所述的电主轴液态金属温控系统，其特征在于：所述定子散热流道包括环形定子散热流道、螺旋形定子散热流道或鼠笼型定子散热流道；所述前端轴承散热流道包括环形前端轴承散热流道、螺旋形前端轴承散热流道或鼠笼型前端轴承散热流道。

7.根据权利要求4所述的电主轴液态金属温控系统，其特征在于：所述电机定子对应于所述定子散热流道且与所述电主轴外壳的连接处设有密封槽，且所述密封槽上设有密封圈，以防止冷却液泄露。

8.根据权利要求4所述的电主轴液态金属温控系统，其特征在于：所述电磁泵设于所述第二流道与所述第三流道之间，且所述电磁泵固设于所述电主轴外壳上。

9.根据权利要求3所述的电主轴液态金属温控系统，其特征在于：所述电主轴外壳上设有与所述冷却液回流管路连通的冷却液注入口。

10.根据权利要求2所述的电主轴液态金属温控系统，其特征在于：所述电主轴单元还包括前端轴承组及后端轴承组，所述主轴本体的前端、后端分别通过前端轴承组及后端轴承组与所述电主轴壳体可转动连接。