CN110026818A - 电主轴热电冷却装置控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电主轴热电冷却装置控制系统，包括制冷量分配模块、制冷量控制模块、热电制冷模块以及反馈模块。其中，反馈模块实时采集电主轴各内热源的热流密度及表面温度，并将采集结果实时传输至制冷量控制模块；制冷量控制模块根据热流密度及内热源表面温度等信息实时计算热电制冷模块所需的制冷电流，并将电流输出至热电制冷模块；热电制冷模块根据输入的电流输出制冷量至制冷量分配模块；制冷量分配模块将热电制冷模块输出的制冷量精确分配至电主轴的各个内热源，实现电主轴的精确制冷。热电冷却，以固体材料为制冷介质，通过热电制冷系统实现电主轴的精确制冷，提高数控机床的加工精度。

Description

电主轴热电冷却装置控制系统

技术领域

本发明涉及一种冷却控制技术，特别涉及一种电主轴热电冷却装置控制系统。

背景技术

电主轴是近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。高速数控机床主传动系统取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。结构紧凑、安装简单、效率高、震动小、寿命长，易于实现高转速、高精度、高的动态稳定性。近年来，我国军工、航天、船舶以及汽车行业对电主轴的需求不断增加，除了数量以外，对数控机床的工作可靠性和精度要求也越来越高。然而，由于电主轴将电机集成于主轴单元中，且转速很高，运转时会产生大量热量，引起电主轴温升，使电主轴的热态特性和动态特性变差，从而影响电主轴的正常工作。因此，必须采取一定措施控制电主轴的温度，使其恒定在一定值内。目前一般采取强制循环液体冷却的方式对电主轴的定子及主轴轴承进行冷却，即通过冷却装置强制性的使冷却液在主轴定子外侧和主轴轴承外圈循环，带走主轴高速旋转产生的热量。这种冷却方法的缺点是对主轴轴芯的冷却效果比较差，且冷却装置的成本比较高。

由于电主轴将电机集成于主轴单元中，且转速很高，运转时会产生大量热量，引起电主轴温升，使电主轴的热态特性和动态特性变差，从而影响电主轴的正常工作。因此对电主轴冷却尤为重要。在现有技术中，李小辉发明了一种电主轴冷却系统(中国专利号CN206811142U)，通过设置在电主轴内的气体冷却系统；以及设置在电主轴外的液体冷却系统，使得液路冷却系统经过冷却夹座对电主轴进行冷却；张莹等发明了一种高速电主轴冷却系统(中国专利号CN205703504U)，在电主轴单元的外部设置螺旋形冷却夹套，冷却水在其中循环流动，可带走电主轴工作过程中产生的热量，控制电主轴的温升。许光辉等发明了一种高速精密电主轴冷却系统(中国专利号CN102120266A)，在壳体、轴芯采用热管冷却方式，通过增大其冷却接触面，带走热能；在轴承润滑冷却部分采用轴芯液体润滑冷却的方式。

上述技术主要采用液体冷却和热管冷却方式等传统冷却方式，成本高且无法实现精确制冷。

发明内容

本发明是针对现在对数控机床电主轴冷却方式存在的问题，提出了一种电主轴热电冷却装置控制系统，以固体材料为制冷介质的新型电主轴热电冷却方式，实现不同内热源的精确制冷。

本发明的技术方案为：一种电主轴热电冷却装置控制系统，包括制冷量分配模块、制冷量控制模块、热电制冷模块以及反馈模块；

数个温度传感器及热流密度传感器位于电主轴内热源处，采集到的电主轴内热源表面温度及热流密度实时传输至反馈模块，反馈模块将信息数据实时传输至制冷量控制模块，制冷量控制模块根据采集到的信息数据实时计算电主轴内热源的生热量，并将此生热量实时转换为热电制冷模块所需制冷电流，并将制冷电流实时输出至热电制冷模块，热电制冷模块根据输入的制冷电流实时输出制冷量至热冷量分配模块，热冷量分配模块通过电主轴的内导热套和外导热套将制冷量精确分配至电主轴内热源，实现电主轴的精确制冷。

所述制冷量分配模块包括外导热套、内导热套以及隔热套，外导热套位于轴承和定子外圈，内导热套位于电主轴轴芯孔内，隔热套位于外导热套外部。

所述的热电制冷模块包括热电制冷片、导热硅胶及热电制冷片热端散热装置；热电制冷片冷端通过导热硅胶将制冷量输送至内、外导热套，内、外导热套与热电制冷片之间用导热硅胶连接，热电制冷片热端产生的热量通过散热装置散出；散热装置包括散热片和散热风扇，散热风扇与主轴连接，通过主轴高速旋转散热。

所述制冷量控制模块集成内热源生热量模型及热电制冷电流控制模型；内热源生热量模型根据反馈模块采集的热流密度实时计算电主轴内热源的生热量；

热电制冷电流控制模型根据内热源生热量模型及根据帕尔贴效应得出计算公式实时计算电主轴所需的热电制冷电流并输出至热电制冷模块。

本发明的有益效果在于：本发明电主轴热电冷却装置控制系统，热电冷却，以固体材料为制冷介质，通过热电制冷系统实现电主轴的精确制冷，提高数控机床的加工精度。

附图说明

图1为本发明电主轴热电冷却装置控制系统结构框图。

具体实施方式

如图1所示电主轴热电冷却装置控制系统结构框图，系统包括制冷量分配模块、制冷量控制模块、热电制冷模块以及反馈模块。温度传感器1及热流密度传感器2位于电主轴内热源处，采集到的电主轴内热源表面温度及热流密度实时传输至反馈模块，反馈模块将上述信息通过接口电路实时传输至制冷量控制模块，制冷量控制模块根据采集到热流密度通过式(1)实时计算电主轴内热源的生热量，并将此生热量实时传输至热电制冷电流控制模型，热电制冷电流控制模型根据生热量及式(2)实时计算电主轴内热源所需的热电制冷电流，并将此电流实时输出至热电制冷模块，热电制冷模块根据输入的电流实时输出制冷量至热冷量分配模块，热冷量分配模块通过电主轴的内导热套3和外导热套4将制冷量精确分配至电主轴内热源，实现电主轴的精确制冷。

制冷量控制模块集成内热源生热量模型及热电制冷电流控制模型。内热源生热量模型根据反馈模块采集的热流密度通过式(1)实时计算电主轴内热源的生热量。

式中：n为电主轴内热源的数量；q_i为电主轴内第i个热源的热流密度；A_i为电主轴内第i个热源的表面积，m²。

通过n个传感器实时采集电主轴上的热流密度，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。由于导热套的长度远大于厚度，将导热套简化为一维导热问题，分别建立只考虑第二类边界条件q_c的热流模型，只考虑内热源q_i(x)的热流模型。通过计算导热套的截面积可实现制冷量的精确分配,也就是这里的A_i为导热套的截面积。

热电制冷电流控制模型根据内热源生热量模型及根据帕尔贴效应得出，如式(2)所示。

式中：π为珀尔贴系数；I为电流，A；R为制冷片冷端的电阻，Ω；λ为制冷片冷端的导热系数，Δt为制冷片冷热端温差。因此，通过控制输入电流即可实现热电制冷系统制冷量的控制。应用式(2)实时计算电主轴所需的热电制冷电流并输出至热电制冷模块。

所述的反馈模块包括薄膜热流密度传感器、温度传感器，实时采集电主轴各内热源的热流密度及表面温度，并将采集信息实时传输至制冷量控制模块。

所述的热电制冷模块包括热电制冷片、导热硅胶及热电制冷片热端散热装置。热电制冷片冷端通过导热硅胶将制冷量输送至内、外导热套，内、外导热套与热电制冷片之间用导热硅胶连接，热电制冷片热端产生的热量通过散热装置散出。散热装置包括散热片和散热风扇，散热风扇与主轴连接，通过主轴高速旋转散热。

制冷量分配模块包括外导热套4、内导热套3以及隔热套，外导热套位于轴承和定子外圈，内导热套位于电主轴轴芯孔内，隔热套位于外导热套外部，将热电制冷模块的制冷量精确分配至电主轴各个内热源，实现电主轴内热源的精确制冷。

Claims (4)

1.一种电主轴热电冷却装置控制系统，其特征在于，包括制冷量分配模块、制冷量控制模块、热电制冷模块以及反馈模块；

数个温度传感器及热流密度传感器位于电主轴内热源处，采集到的电主轴内热源表面温度及热流密度实时传输至反馈模块，反馈模块将信息数据实时传输至制冷量控制模块，制冷量控制模块根据采集到的信息数据实时计算电主轴内热源的生热量，并将此生热量实时转换为热电制冷模块所需制冷电流，并将制冷电流实时输出至热电制冷模块，热电制冷模块根据输入的制冷电流实时输出制冷量至热冷量分配模块，热冷量分配模块通过电主轴的内导热套和外导热套将制冷量精确分配至电主轴内热源，实现电主轴的精确制冷。

2.根据权利要求1所述电主轴热电冷却装置控制系统，其特征在于，所述制冷量分配模块包括外导热套、内导热套以及隔热套，外导热套位于轴承和定子外圈，内导热套位于电主轴轴芯孔内，隔热套位于外导热套外部。

3.根据权利要求1或2所述电主轴热电冷却装置控制系统，其特征在于，所述的热电制冷模块包括热电制冷片、导热硅胶及热电制冷片热端散热装置；热电制冷片冷端通过导热硅胶将制冷量输送至内、外导热套，内、外导热套与热电制冷片之间用导热硅胶连接，热电制冷片热端产生的热量通过散热装置散出；散热装置包括散热片和散热风扇，散热风扇与主轴连接，通过主轴高速旋转散热。

4.根据权利要求3所述电主轴热电冷却装置控制系统，其特征在于，所述制冷量控制模块集成内热源生热量模型及热电制冷电流控制模型；内热源生热量模型根据反馈模块采集的热流密度实时计算电主轴内热源的生热量；

热电制冷电流控制模型根据内热源生热量模型及根据帕尔贴效应得出计算公式实时计算电主轴所需的热电制冷电流并输出至热电制冷模块。