CN109940452A - 电主轴热电冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电主轴热电冷却装置，包括导热套、隔热套、热电制冷系统、热电制冷系统冷却装置，所述导热套安装在轴承及定子的外圈，导热套后端面依次设有热电制冷系统、热电制冷片热端冷却装置；所述导热套将电主轴的轴承及定子产生的热量导出，导出的热量由热电制冷系统的冷端吸收，热电制冷系统热端产生的热量由热电制冷片热端冷却装置散热。为防止导热套在传热过程中将热量传递给电主轴壳体，导致主轴箱热变形，采用隔热套隔热。本发明与电主轴水冷技术的显著区别在于传热介质及传热机理的不同，能够实现内热源的精确制冷，大大提高电主轴的精度。

Description

电主轴热电冷却装置
技术领域
本发明涉及一种电主轴冷却系统，特别是一种电主轴热电冷却装置。
背景技术
解决高速、高效、高精度工作状态下的发热是电主轴的一项关键技术，对提高电主轴精度和寿命具有重要意义。电主轴内部有两个主要热源：内置电机和主轴轴承，内置电机的发热量三分之二由定子产生，三分之一由转子产生。现有技术中主要是通过在电主轴壳体内加冷却水或者冷却油，进行不断地循环来把热量带走。但是，由于电主轴不同内热源的生热量不同，而且内热源的热流密度分布不均匀，这就要求制冷系统对不同内热源的冷却能力必须适当，如果吸热量大于机床内热源的发热量，势必会使主轴局部温度低于环境温度，这不仅会引起局部收缩，而且潮湿空气会冷凝在主轴表面而使主轴生锈。加之，流体介质冷却系统的制冷性能受滞流层厚度、污垢热阻、物性、温差、流量等诸多因素的影响，降低了制冷系统对电主轴精确制冷的可靠性。因此，提出一种基于固体介质的电主轴热电制冷系统。
发明内容
本发明针对电主轴的有效冷却及动密封问题，提出了一种电主轴热电冷却装置，可以实现电主轴内热源的精确制冷，并且解决现有液体冷却系统的动密封问题，大大提高电主轴的精度。
本发明的技术方案为：一种电主轴热电冷却装置，包括导热套、隔热套、热电制冷系统、热电制冷系统冷却装置，所述导热套安装在轴承及定子的外圈，导热套后端面依次设有热电制冷系统、热电制冷片热端冷却装置；所述导热套将电主轴的轴承及定子产生的热量导出，导出的热量由热电制冷系统的冷端吸收，热电制冷系统热端产生的热量由热电制冷片热端冷却装置散热。
进一步，所述导热套与电主轴壳体之间采用隔热套进行隔热，用于防止导热套导出的热量传递给主轴箱，导致主轴箱热变形。
进一步，所述的隔热套由隔热套外圈、隔热套内圈、支撑筋板、端面密封板组成，所述隔热套外圈与隔热套内圈之间通过支撑筋板固定连接在一起，端面密封板安装在隔热套两端，形成真空隔热。
进一步，所述的导热套由铝合金套筒组成，采用铝合金固体材料作为冷却介质。
进一步，所述的电主轴热电制冷系统包括热电制冷片和导热硅胶，所述热电制冷片级联连接，并通过导热硅胶固定连接在导热套后端面上，通过热电制冷片冷端吸收导热套导出的热量。
进一步，所述的热电制冷系统冷却装置包括冷却风扇和连接轴，所述冷却风扇与电主轴的芯轴通过连接轴固定连接，由电主轴高速旋转带动冷却风扇旋转，通过冷却风扇强制对流实现热电制冷片热端的冷却。
本发明的有益效果在于：本发明是一种以固体材料为制冷介质的新型电主轴冷却方法，与电主轴水冷技术的显著区别在于传热介质及传热机理的不同，能够实现内热源的精确制冷，大大提高电主轴的精度。
附图说明
图1为本发明的电主轴热电制冷装置结构示意图；
图2为隔热套结构图；
图3为导热套热传导示意图。
图中：1-冷却风扇，2-热电制冷片，3-连接轴，4-隔热套，5-导热套，6-电主轴壳体，7-定子，8-转子，9-轴承，10-芯轴，11-端面密封板，12-支撑筋板，13-隔热套外圈，14-隔热套内圈。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种电主轴热电制冷系统，包括导热套5、隔热套4、热电制冷系统、热电制冷片热端冷却装置.
导热套5安装在轴承9及定子7的外圈，导热套5后端面依次设有热电制冷系统、热电制冷片热端冷却装置。导热套5将电主轴的轴承9及定子7产生的热量导出，导出的热量由热电制冷系统的冷端吸收，热电制冷系统热端产生的热量由热电制冷片热端冷却装置散热。为防止导热套5导出的热量传递给主轴箱，导致主轴箱热变形，在电主轴壳体6与导热套5之间采用隔热套4进行隔热。
电主轴热电制冷系统包括热电制冷片2和导热硅胶，热电制冷片2通过导热硅胶固定连接在导热套5后端面上，以便减小导热套5与热电制冷片2间的接触热阻，并将热电制冷片5级联，通过热电制冷片5冷端吸收导热套5导出的热量。
热电制冷系统冷却装置包括冷却风扇1和连接轴3，冷却风扇与电主轴的芯轴10通过连接轴3固定连接，通过电主轴高速旋转带动冷却风扇1旋转，通过冷却风扇1强制对流实现电主轴的热电制冷片2热端的冷却。
如图2所示，隔热套4由隔热套外圈13、隔热套内圈14、支撑筋板12、密封板11构成。支撑筋板12与隔热套内圈14连接，然后将隔热套外圈13安装到隔热套内圈14的外侧，将端面密封板11安装在隔热套两端，形成真空隔热。
导热套5由铝合金套筒(导热系数大于200)组成，将电主轴轴承及定子产生的热量导出至热电制冷系统,实现电主轴内热源的精确制冷。
假设导热套的截面积为Ac(x)，长度为Lc，导热套冷端由热电制冷片输入的热流密度为qc，内热源传递到导热套的热流密度为qi(x)。由于导热套外侧由隔热套密封，内侧与热源接触，因此，导热套内的热流流向是热电制冷片的冷端，如图3所示。由于导热套的长度远大于厚度，将导热套简化为如图3所示的一维导热问题，分别建立只考虑第二类边界条件qc的热流模型，只考虑内热源qi(x)的热流模型，根据叠加原理可得：
式中，Q(x)为导热套内微元的热量，W。
由式(1)可知，导热套内微元的热量与内热源的热流密度及导热套的截面积有关。因此，通过计算导热套的截面积可实现制冷量的精确分配。

Claims (6)

1.一种电主轴热电冷却装置，包括导热套、隔热套、热电制冷系统、热电制冷系统冷却装置，其特征在于：所述导热套安装在轴承及定子的外圈，导热套后端面依次设有热电制冷系统、热电制冷片热端冷却装置；所述导热套将电主轴的轴承及定子产生的热量导出，导出的热量由热电制冷系统的冷端吸收，热电制冷系统热端产生的热量由热电制冷片热端冷却装置散热。
2.根据权利要求1所述的电主轴热电冷却装置，其特征在于：所述导热套与电主轴壳体之间采用隔热套进行隔热，用于防止导热套导出的热量传递给主轴箱，导致主轴箱热变形。
3.根据权利要求2所述的电主轴热电冷却装置，其特征在于：所述的隔热套由隔热套外圈、隔热套内圈、支撑筋板、端面密封板组成，所述隔热套外圈与隔热套内圈之间通过支撑筋板固定连接在一起，端面密封板安装在隔热套两端，形成真空隔热。
4.根据权利要求1所述的电主轴热电冷却装置，其特征在于：所述的导热套由铝合金套筒组成，采用铝合金固体材料作为冷却介质。
5.根据权利要求1所述的电主轴热电冷却装置，其特征在于：所述的电主轴热电制冷系统包括热电制冷片和导热硅胶，所述热电制冷片级联连接，并通过导热硅胶固定连接在导热套后端面上，通过热电制冷片冷端吸收导热套导出的热量。
6.根据权利要求1所述的电主轴热电冷却装置，其特征在于：所述的热电制冷系统冷却装置包括冷却风扇和连接轴，所述冷却风扇与电主轴的芯轴通过连接轴固定连接，由电主轴高速旋转带动冷却风扇旋转，通过冷却风扇强制对流实现热电制冷片热端的冷却。
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