CN109396920B - 一种配置有二元新型混合工质振荡热管的高速电主轴系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配置有二元新型混合工质振荡热管的高速电主轴系统，包括定子冷却水套、冷却套壳体、主轴轴芯振荡热管、冷却套壳体振荡热管、二元新型混合工质等。实现了现有电主轴的所有功能，同时冷却性能更优秀、效率更高、实时可控，并能实现对电主轴系统中定子的实时可控冷却。

Description

一种配置有二元新型混合工质振荡热管的高速电主轴系统

技术领域

本发明涉及电主轴技术领域，具体涉及一种配置有二元新型混合工质振荡热管的高速电主轴系统。

背景技术

机械主轴根据驱动方式分为机械主轴和高速电主轴。高速电主轴是由内装式电动机直接驱动，没有中间传动环节，具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大，易于实现主轴定位。由于高速电主轴系统将电机集成于主轴单元中，且转速很高，运转时电主轴系统的定子、转子及主轴两端轴承均会会产生大量热量，引起电主轴温升，使高速电主轴系统的热态特性和动态特性变差，从而影响高速电主轴系统的正常工作。因此，必须采取一定措施控制高速电主轴系统的温度，使其恒定在一定值内。

现有的高速电主轴系统在散热方面普遍有一定的局限性：不能实现定子的实时循环冷却；不能实现转子及主轴两端轴承的实时可控冷却；不能实现主轴壳体热量的有效耗散；普遍冷却效率较低，作用范围较窄。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种配置有二元新型混合工质振荡热管的高速电主轴系统，实现现有高速电主轴系统的所有功能，同时冷却性能更优秀、效率更高、实时可控，并能实现对高速电主轴系统中定子、轴承及主轴壳体的实时可控冷却。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明一种配置有二元新型混合工质振荡热管的高速电主轴系统，包括：

定子、转子及主轴，用以实现接通电源后驱动主轴旋转，输出运动及扭矩；

定子冷却水套、冷却套壳体，用以密封电主轴系统并传递定子产生的热量；

主轴轴芯振荡热管、冷却套壳体振荡热管、二元新型混合工质，用以传递

转子、定子、轴承产生的热量实现主轴系统的冷却；

振荡热管腔室壳体，用以密封冷却气体及振荡热管。

进一步的，定子冷却水套套设在定子上；

冷却套壳体套设在定子冷却水套外；

主轴轴芯振荡热管沿主轴的轴线插设在主轴轴芯内，主轴轴芯振荡热管的

一端相对主轴的端部向外凸出；

冷却套壳体振荡热管沿冷却套壳体的轴向插设在冷却套壳体内，冷却套壳

体振荡热管的一端相对冷却套壳体的端部向外凸出，冷却套壳体振荡热管

向外凸出的突出端与主轴轴芯振荡热管向外凸出的突出端位于同一侧；

二元新型混合工质设于主轴轴芯振荡热管和冷却套壳体振荡热管内；

冷却套壳体振荡热管向外凸出的突出端与主轴轴芯振荡热管向外凸出的突

出端容纳在振荡热管腔室壳体内。

进一步的，在振荡热管腔室壳体的进气口和出气口之间连接设有气泵、压缩机和节流阀，用以向振荡热管腔室壳体内提供冷却气体，并实现冷却气体的密封循环与冷却。

进一步的，主轴轴芯振荡热管包括多根并联贯通的振荡热管。

进一步的，振荡热管包括主毛细管和多根副毛细管；主毛细管与热毛细管之间并联贯通并整体形成呈圆柱形构造，主毛细管沿圆柱形的中心线延伸，副毛细管沿圆周分布于主毛细管周围。

进一步的，二元新型混合工质为水基Al₂O₃纳米流体和丙酮的混合工质。

进一步的，还包括编码器、编码器调整环、编码器座、编码器读数头，用以实现主轴转动与进给运动的关联。

进一步的，主轴两端分别设有前端轴承、后端轴承用以定位支承。

进一步的，还包括位移传感器、定位弹簧座、轴承套筒、后端轴承压紧套，用以定位、压紧、调整前端轴承和后端轴承。

进一步的，还包括锁紧螺母、前端盖及后端盖，用以定位及密封高速电主轴系统。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明通过改进结构的主轴二元新型混合工质振荡热管能够实现更高效的高速电主轴冷却，对热源更加敏感，作用范围更广；本发明通过布置冷却套壳体振荡热管实现对电主轴系统定子和轴承的高效冷却；本发明通过调整低温冷却气体的流量控制热管两端温度差，实现对不同发热情况下高速电主轴系统的冷却。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明配置有二元新型混合工质振荡热管的高速电主轴系统结构剖视图。

图2为本发明配置有二元新型混合工质振荡热管的高速电主轴系统立体局部分解图。

图3为主轴轴芯振荡热管局部结构立体图。

图4为主轴轴芯振荡热管剖视图。

图中，1为定子，2为转子，3为主轴，4为定子冷却水套，5为冷却套壳体，6为主轴轴芯振荡热管，7为冷却套壳体振荡热管，8为振荡热管腔室壳体，9为气泵，10为压缩机，11为节流阀，12为主毛细管，13为副毛细管，14为编码器，15为编码器调整环，16为编码器座，17为编码器读数头，18为前端轴承，19为后端轴承，20为位移传感器，21为定位弹簧座，22为轴承套筒，23为后端轴承压紧套，24为锁紧螺母，25为前端盖，26为后端盖。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1和图2所示，本发明一种配置有二元新型混合工质振荡热管的高速电主轴系统，包括：

定子1、转子2及主轴3，用以实现接通电源后驱动主轴3旋转，输出运动及扭矩。

定子冷却水套4、冷却套壳体5，用以密封高速电主轴3系统并传递定子1产生的热量。

主轴轴芯振荡热管6、冷却套壳体振荡热管7、二元新型混合工质，用以传递转子2、定子1、轴承产生的热量实现高速主轴系统的冷却。

振荡热管腔室壳体8，用以密封冷却气体及振荡热管。

在本实施方式中，定子冷却水套4套设在定子1上。

冷却套壳体5套设在定子冷却水套4外。

主轴轴芯振荡热管6沿主轴3的轴线插设在主轴3内，主轴轴芯振荡热管6的一端相对主轴3的端部向外凸出。

冷却套壳体振荡热管7沿冷却套壳体5的轴向插设在冷却套壳体5内，冷却套壳体振荡热管7的一端相对冷却套壳体5的端部向外凸出，冷却套壳体振荡热管7向外凸出的突出端与主轴轴芯振荡热管6向外凸出的突出端位于同一侧。

二元新型混合工质设于主轴轴芯振荡热管6和冷却套壳体振荡热管7内。

冷却套壳体振荡热管7向外凸出的突出端与主轴轴芯振荡热管6向外凸出的突出端容纳在振荡热管腔室壳体8内。

在振荡热管腔室壳体8的进气口和出气口之间连接设有气泵9、压缩机10和节流阀11，用以向振荡热管腔室壳体8内提供冷却气体，并实现冷却气体的密封循环与冷却。

如图3和图4所示，主轴轴芯振荡热管6包括多根并联贯通的振荡热管，形成改进结构的振荡热管。

振荡热管包括主毛细管12和多根毛细管13；主毛细管12与热毛细管之间并联贯通并整体形成呈圆柱形构造，主毛细管12沿圆柱形的中心线延伸，副毛细管13沿圆周分布于主毛细管12周围。

在本实施方式中，冷却套壳体振荡热管7的结构与主轴振荡热管6的结构类似，即也包括主毛细管12和副毛细管13，只是两者尺寸大小、副毛细管13数量存在差异。

二元新型混合工质为水基Al₂O₃纳米流体和丙酮的混合工质，在本实施方式中，水基Al₂O₃纳米流体和丙酮的按1:5的比例进行混合。

本实施方式在主轴3中配置有一根主轴轴芯振荡热管6，冷却套壳体5中配置有六根冷却套壳体振荡热管7。主轴轴芯振荡热管6及冷却套壳体振荡热管7为改进结构的振荡热管，可视为多个单根毛细管共享一根回流毛细管。主轴轴芯振荡热管6以及冷却套壳体振荡热管7中有二元新型混合工质，通过其振荡循环实现对主轴3及定子1的冷却。主轴轴芯振荡热管6以及冷却套壳体振荡热管7的另一端伸出主轴3和冷却套壳体5，与低温冷却气体交换热量后产生低温，主轴轴芯振荡热管6以及冷却套壳体振荡热管7两端的温差产生压力差，推动二元新型混合工质在主轴轴芯振荡热管6以及冷却套壳体振荡热管7中循环。

主轴轴芯振荡热管6及冷却套壳体振荡热管7为改进结构的振荡热管，由于采用了该改进结构，主轴轴芯振荡热管6及冷却套壳体振荡热管7对热量更敏感，灵敏度更高，冷却效率更高。低温冷却气体密封在振荡热管腔室壳体8中，并通过气泵9、压缩机10、节流阀11实现循环可控的冷却。

在本实施方式中，配置有二元新型混合工质振荡热管的高速电主轴系统还包括编码器14、编码器调整环15、编码器座16、编码器读数头17，用以实现主轴3转动与进给运动的关联。

主轴3两端分别设有前端轴承18、后端轴承19用以定位支承。

在本实施方式中，配置有二元新型混合工质振荡热管的高速电主轴系统还包括位移传感器20、定位弹簧座21、轴承套筒22、后端轴承压紧套23，用以定位、压紧、调整前端轴承18和后端轴承19。

在本实施方式中，配置有二元新型混合工质振荡热管的高速电主轴系统还包括锁紧螺母24、前端盖25及后端盖26，用以定位及密封主轴系统。

本发明的工作原理如下：

如图1所示，电主轴系统接通电源后，主轴输出运动及扭矩，转子、定子、前端轴承及后端轴承产生大量热量，转子、前端轴承、后端轴承的热量传递到主轴上，定子的热量传递经定子冷却水套后传递到冷却套壳体上。主轴上的热量传递到主轴轴芯振荡热管高温端，冷却套壳体上的热量分别传递到六根冷却套壳体振荡热管高温段。

如附图3所示，为主轴轴芯振荡热管及冷却套壳体振荡热管改进结构。可视为多跟单个振荡热管并联，热管中二元新型混合工质为水基Al₂O₃纳米流体和丙酮1:5混合工质。当采用的管径满足条件时并产生热量时，工质会在表面张力的作用形成随机分布、间隔布置的气塞和液塞。在加热段，工质由于吸收热量发生气化产生气泡，气泡或气塞与管壁之间的夜膜由于吸热会不断蒸发，导致气泡膨胀和压力上升，进而推动气液塞流向冷却段，同时冷却段气泡冷凝收缩或破裂，从而在加热段和冷却段之间形成较大的压差。在此压差和相邻管内的压力不平衡的作用下，使工质产生强烈的往复振荡运动，从各单独管路共享的中心毛细管流回加热段，实现高效的热传递。任一个单独管路受到热源满足工作要求时均会进行冷却循环，当热源温度更高时，多跟毛细管同时工作，提高对热源敏感度的同时增强冷却效率。

如附图1所示，主轴轴芯振荡热管及冷却套壳体振荡热管的冷低温端由低温冷却气体(可选用氮气)进行降温，实现主轴轴芯振荡热管及冷却套壳体振荡热管的循环工作。低温冷却气体通过气泵、压缩机及节流阀实现可控的循环冷却，保证对主轴轴芯振荡热管及冷却套壳体振荡热管低温端的稳定实时冷却。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明通过改进结构的二元新型混合工质振荡热管能够实现更高效的主轴冷却，对热源更加敏感，作用范围更广；本发明通过布置冷却套壳体振荡热管实现对电主轴系统定子的高效冷却；本发明通过调整低温冷却气体的流量控制热管两端温度差，实现对不同发热情况下高速电主轴系统的冷却。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种配置有二元新型混合工质振荡热管的高速电主轴系统，其特征在于，包括：定子、转子及主轴，所述定子和转子用以实现接通电源后驱动所述主轴旋转，输出运动及扭矩；定子冷却水套、冷却套壳体，用以密封高速电主轴系统并传递定子产生的热量；主轴轴芯振荡热管、冷却套壳体振荡热管、二元新型混合工质，用以传递转子、定子、轴承产生的热量实现高速电主轴系统的冷却；振荡热管腔室壳体，用以密封冷却气体及所述主轴轴芯振荡热管和所述冷却套壳体振荡热管；

所述定子冷却水套套设在所述定子上；所述冷却套壳体套设在所述定子冷却水套外；所述主轴轴芯振荡热管沿所述主轴的轴线插设在所述主轴内，所述主轴轴芯振荡热管的一端相对所述主轴的端部向外凸出；所述冷却套壳体振荡热管沿所述冷却套壳体的轴向插设在所述冷却套壳体内，所述冷却套壳体振荡热管的一端相对所述冷却套壳体的端部向外凸出，所述冷却套壳体振荡热管向外凸出的突出端与所述主轴轴芯振荡热管向外凸出的突出端位于同一侧；所述二元新型混合工质设于所述主轴轴芯振荡热管和所述冷却套壳体振荡热管内；所述冷却套壳体振荡热管向外凸出的突出端与所述主轴轴芯振荡热管向外凸出的突出端容纳在所述振荡热管腔室壳体内；

主轴轴芯振荡热管包括主毛细管和多根副毛细管；所述主毛细管与所述副毛细管之间并联贯通并整体形成呈圆柱形构造，所述主毛细管沿圆柱形的中心线延伸，所述副毛细管沿圆周分布于所述主毛细管周围。

2.根据权利要求1所述的配置有二元新型混合工质振荡热管的高速电主轴系统，其特征在于，在所述振荡热管腔室壳体的进气口和出气口之间连接设有气泵、压缩机和节流阀，用以向所述振荡热管腔室壳体内提供冷却气体，并实现冷却气体的密封循环与冷却。

3.根据权利要求2所述的配置有二元新型混合工质振荡热管的高速电主轴系统，其特征在于，所述主轴轴芯振荡热管包括多根并联贯通的振荡热管。

4.根据权利要求1所述的配置有二元新型混合工质振荡热管的高速电主轴系统，其特征在于，所述二元新型混合工质为水基Al2O3纳米流体和丙酮的混合工质。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的配置有二元新型混合工质振荡热管的高速电主轴系统，其特征在于，还包括编码器、编码器调整环、编码器座、编码器读数头，用以实现主轴转动与进给运动的关联。

6.根据权利要求5所述的配置有二元新型混合工质振荡热管的高速电主轴系统，其特征在于，所述主轴两端分别设有前端轴承、后端轴承用以定位支承。

7.根据权利要求6所述的配置有二元新型混合工质振荡热管的高速电主轴系统，其特征在于，还包括位移传感器、定位弹簧座、轴承套筒、后端轴承压紧套，用以定位、压紧、调整前端轴承和后端轴承。

8.根据权利要求7所述的配置有二元新型混合工质振荡热管的高速电主轴系统，其特征在于，还包括锁紧螺母、前端盖及后端盖，用以定位及密封高速电主轴系统。

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