CN111421383A - 一种基于层板结构的冷却水套和电主轴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于层板结构的冷却水套，包括水套本体，水套本体一端设有前端盖，水套本体的另一端设有后端盖，水套本体包括由内向外依次套接的靶圈、冲击圈和水套外圈，冲击圈上沿厚度方向开设有若干组冲击通孔，冲击圈与靶圈之间形成环状射流腔室，冲击圈与水套外圈之间形成稳压腔室。本发明还公开了一种电主轴，包括基于层板结构的冷却水套。本发明冷却水套，冷却液通过阵列冲击通孔进入靶圈内，形成射流冲击冷却，然后在结构内部进行强制对流换热，由于扰流柱的存在，增大了换热面积并提高了换热系数，能够有效解决电主轴的冷却问题，从而提高机床电主轴的加工精度。

Description

一种基于层板结构的冷却水套和电主轴

技术领域

本发明涉及电主轴冷却技术领域，具体地说，涉及一种基于层板结构的冷却水套和电主轴。

背景技术

电主轴具有结构紧凑、重量轻、效率高以及动态特性好的优点，其作为高速精密数控机床的关键功能部件被广泛应用于汽车、航空航天、军工、电子以及自动化等领域。然而，由于电主轴将电机集成于狭小封闭的主轴单元内部，当电主轴高速旋转时，内置电机尤其是在定子处将产生并积聚大量热量。如果不能将这些热量有效疏导出来，将会引发主轴的轴向热膨胀、轴承内润滑油失效甚至电机烧坏等诸多问题，严重影响精密数控机床的加工质量。

目前，可以采用多种方法来减少电主轴的发热。针对电机定子发热问题，现有冷却技术通常是在定子外侧的电主轴壳体上套上冷却水套，形成封闭的对流冷却循环系统。冷却套内的流道有直道形、螺旋形以及分形等。

公开号为CN101431277A的中国发明专利申请公开了一种高速电主轴的直水道式冷却装置，特征在于机壳为整体式结构，机壳圆周方向上设有直孔结构的冷却水道，相邻的冷却水道在机壳与端盖、机壳与后轴承室的配合安装处相连通。

申请公布号CN101847909A的中国发明专利申请公开了一种高速车床电主轴部件冷却方法，其特征在于高速车床主运动结构的内装式伺服电机定子与箱体之间增加一轴承水套，并将内装式伺服电机定子外壳上所带水套与新增轴承水套串联起来构成一个封闭的水冷却循环系统。

申请公布号CN102862092A的中国发明专利申请公开了一种基于分形流道的冷却套，包括一次紧密套接的冷却套内圈、冷却套中圈和冷却套外圈。采用分形网络流道形成的冷却套，与外围换热系统连接起来。

上述三个专利申请分别公开了带直流道、螺旋流道和分形流道的电主轴冷却水套。这类结构的散热机理为层流对流换热，其表面对流换热系数较低。然而，随着电主轴转速的不断增加以及对数控机床加工精度要求的不断提高，电机定子发热量急剧上升，其热流密度非常大，单纯依靠传统的内冷通道层流对流换热已难以满足现代高速精密数控加工技术发展所带来的高热流密度的散热需求，因此必须寻求更为有效的散热方法来解决电主轴的冷却问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于层板结构的冷却水套，将射流冲击冷却和对流换热冷却结合，形成一种应用于电主轴的层板冷却水套，可以在消耗较少冷却液的同时，提高定子冷却效果。

本发明的另一个目的是提供一种电主轴，采用层板结构的冷却水套，在消耗较少冷却液的同时，减少泵功损失，提高定子冷却效果，增强电主轴的使用寿命。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于层板结构的冷却水套，包括水套本体，水套本体一端设有前端盖，水套本体的另一端设有后端盖，水套本体包括由内向外依次套接的靶圈、冲击圈和水套外圈，冲击圈上沿厚度方向开设有若干组冲击通孔，冲击圈与靶圈之间形成环状射流腔室，冲击圈与水套外圈之间形成稳压腔室。

进一步地，环状射流腔室和/或稳压腔室的高度为1mm～5mm。

进一步地，冲击圈内表面设置有若干组射流腔扰流柱，射流腔扰流柱与靶圈的外表面连接。

进一步地，冲击圈的外表面设置有若干组稳压腔扰流柱，稳压腔扰流柱与水套外圈的内表面连接。

进一步地，冲击通孔分别于射流腔扰流柱和稳压腔扰流柱分别呈间隔排列布置。

进一步地，冲击通孔的横截面为圆形或椭圆形。

进一步地，射流腔扰流柱和/或稳压腔扰流柱的横截面为圆形、椭圆形、水滴形、三角形、菱形或梯形。

本发明还公开了一种电主轴，包括由内向外依次紧密套接的芯轴、转子、定子、冷却水套和外壳，冷却水套为基于层板结构的冷却水套。

进一步地，基于层板结构的冷却水套的靶圈与定子外侧过盈配合。

进一步地，基于层板结构的冷却水套的水套外圈与外壳壳体过盈配合。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

1)本发明基于层板结构的冷却水套，水套本体包括由内向外依次套接的靶圈、冲击圈和水套外圈，冲击圈上沿厚度方向开设有若干组冲击通孔，冲击圈与靶圈之间形成环状射流腔室，冲击圈与水套外圈之间形成稳压腔室，冷却液通过阵列冲击通孔进入靶圈内，形成射流冲击冷却，然后在结构内部进行强制对流换热，由于扰流存在，增大了换热面积并提高了换热系数。

2)本发明基于层板结构的冷却水套，集冲击、强制对流及扰流柱强化换热于一体，是一种非常先进的散热方式，能够有效解决电主轴的冷却问题。

3)本发明电主轴，采用基于层板结构的冷却水套进行冷却，冷却液可以从冲击通孔喷射出来，形成的高速度质量团在靠近靶圈表面区域可以显著强化传热，实现对电主轴定子的快速冷却，从而提高机床电主轴的加工精度。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例1基于层板结构的冷却水套的结构示意图；

图2是图1的截面图；

图3是本发明实施例2电主轴的结构示意图；

图4是现有技术中带螺旋流道的冷却水套结构示意图；

图5是本发明基于层板结构的冷却水套的靶面温度分布图；

图6是现有技术中带有螺旋流道的冷却水套的靶面温度分布图。

图中：1-芯轴，2-前轴承，3-前轴承座，4-冷却液进口，5-前端盖，6-冷却水套，7-定子，8-转子，9-壳体，10-后端盖，11-冷却液出口，12-后轴承座，13-后轴承，61-水套外圈，62-稳压腔扰流柱，63-冲击通孔，64-冲击圈，65-射流腔扰流柱，66-靶圈。

具体实施方式

以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

实施例1

本发明实施例公开了一种基于层板结构的冷却水套，结构如图1和图2所示，包括水套本体，水套本体一端设有前端盖5，水套本体的另一端设有后端盖10，水套本体包括由内向外依次套接的靶圈66、冲击圈64和水套外圈61，冲击圈64上沿厚度方向开设有若干组冲击通孔63，冲击圈64与靶圈66之间形成环状射流腔室，冲击圈64与水套外圈61之间形成稳压腔室。环状射流腔室和/或稳压腔室的高度为1mm～5mm。冷却液通过阵列冲击通孔63进入靶圈66表面，形成冲击冷却，然后在水套本体内部进行强制对流换热。

冲击圈64内表面设置有若干组射流腔扰流柱65，射流腔扰流柱65与靶圈66的外表面连接。射流腔扰流柱65起到支撑作用，同时增大了换热面积并提高了换热系数。

冲击圈64的外表面设置有若干组稳压腔扰流柱62，稳压腔扰流柱62与水套外圈61的内表面连接。稳压腔扰流柱62起到支撑作用，增大了换热面积并提高了换热系数。

冲击通孔63分别与射流腔扰流柱65和稳压腔扰流柱62分别呈间隔排列布置。

冲击通孔63的横截面为圆形或椭圆形；射流腔扰流柱65和/或稳压腔扰流柱62的横截面为圆形、椭圆形、水滴形、三角形、菱形或梯形。

本发明基于层板结构的冷却水套，采用冲击冷却的方式进行冷却，冲击冷却是一种冷却介质以射流形式喷向冷却部件表面可以带走热量的冷却方式。在所有的强化传热技术中，冲击冷却能够最有效的提高局部传热系数。在温度较高，有大量的热量需要被吸收的表面，这一技术可以通过简单的空腔和孔板结构有效地达到冷却目的。

层板冷却技术，即多孔层板冷却技术。可以由数层金属板由扩散焊接而成，层板上加工微小冲击通孔阵列，层间通道中布置许多扰流柱。冷却液通过阵列冲击通孔进入靶面，形成射流冲击冷却；然后在结构内部进行强制对流换热，由于扰流柱的存在，增大了换热面积并提高了换热系数。层板冷却集射流冲击、强制对流及扰流柱强化换热于一体，是一种非常先进的散热方式，能够有效解决电主轴的冷却问题。

本发明基于层板结构的冷却水套，水套本体包括由内向外依次套接的靶圈66、冲击圈64和水套外圈61，冲击圈64上沿厚度方向开设有若干组冲击通孔63，冲击圈64与靶圈66之间形成环状射流腔室，冲击圈64与水套外圈61之间形成稳压腔室，冷却液通过阵列冲击通孔63进入靶圈66内，形成射流冲击冷却，然后在结构内部进行强制对流换热，由于扰流柱的存在，增大了换热面积并提高了换热系数。

实施例2

本发明还公开了一种电主轴，结构如图3所示，包括由内向外依次紧密套接的芯轴1、转子8、定子7、冷却水套6和壳体9，冷却水套6为基于层板结构的冷却水套。

芯轴1前后分别设有前轴承2和后轴承13，用于支撑芯轴1；转子8套置于芯轴1上，定子7套置于转子8外侧且与转子8之间有一定间隙，基于层板冷却结构的冷却水套6固定在定子7的外侧的。

转子8与芯轴1过盈配合，输出转矩；转子8与定子7之间留有一定间隙，从而可以相对转动。定子7外侧和基于层板冷却的冷却水套6的靶圈66过盈配合，冷却水套的外圈61和壳体9过盈配合。

壳体9的两端分别设置有前轴承座3和后轴承座12。前轴承座3上设有直孔结构的冷却液进口4，并与前端盖5配合连通；后轴承座12上设有直孔结构的冷却液出口11，并与后端盖10配合连通。

当电主轴高速运转时，冷却液从冷却液进口4进入稳压腔室，通过冲击圈64上的冲击通孔63进入射流腔室，对靶圈66表面进行冲击射流冷却和绕流对流冷却，再从冷却液出口11流出，构成对内部定子7的循环冷却系统，从而达到对高速电主轴冷却降温的目的。

冲击圈64沿厚度方向上设有平行排列、尺寸相同的若干组微小冲击通孔63，环绕电主轴轴线均匀分布的冲击通孔63数范围为12～16组，每组冲击通孔63的个数范围为4～8个/组，冲击通孔63当量直径范围为0.8mm～2mm。

冲击通孔63的中心线与电主轴直径方向的夹角大于小于0°，小于等于45°。

稳压腔室中环绕电主轴轴线均匀分布的稳压腔扰流柱62为12～32组，用来连接支撑着冲击圈64外侧壁面和水套外圈61壁面，每组稳压腔扰流柱62的个数为5～9个/组，稳压腔扰流柱62的当量直径为0.8mm～2mm。

射流腔室中环绕电主轴轴线均匀分布的射流腔扰流柱65为12～32组，用来连接支撑着冲击圈64内侧壁面和靶圈66壁面，每组射流腔扰流柱65的个数为5～9个/组，射流腔扰流柱65的当量直径为0.8mm～2mm。

芯轴1在电机的作用下高速旋转，将电磁感应转化的机械能传递到刀具上对工件进行高速切削加工。转轴作为电主轴的输出轴，其精度要求非常高，它的制造精度直接影响电主轴的最终精度，而且转轴必须安装有高精度的主轴轴承，以保证其高速性能。转子8是主轴的旋转部分，转子8与芯轴1过盈配合从而带动芯轴1旋转。定子7通过冷却套固定在主轴内部，与转子8之间存在一定的间隙。定子7和转子8是高速电主轴的动力部分，当中频电流通过带有绕组线圈的优质砂钢片压制的定子7时，定子7会产生旋转磁场，当转子8中有电流通过时在旋转磁场的作用下转子受磁力矩的作用将带动芯轴1旋转。由于高速电主轴极限转速高，将转子8与芯轴1通过过盈配合装配在一起可以有效的防止振动发生，保证电主轴运行的稳定性。

冷却水套6通过冷却定子7从而对高速运行的电主轴进行散热。冷却液从位于冷却水套前端盖5上进口流入，在冷却结构中吸收并带走定子散发的热量，然后从位于冷却水套后端盖10上的出口流出，从而完成对整个电主轴定子的冷却过程。电主轴壳体9与冷却水套6紧密配合在一起，左右两端分别与前端盖5和后端盖10连接起固定作用。壳体9对主轴内部有密封作用，可以防止内部污染。

对比例

以纯水作为冷却介质，使用本发明提供的基于层板冷却结构作为实验例，现有的螺旋流道结构(如图4所示)作为对比例，进行电主轴冷却水套的冷却实验。

实验例和对比例具有相同的对流换热面积和进口流动速度。

本发明基于层板冷却结构的冷却水套的外径为100mm，内径为80mm，长度为75mm，外壳厚度为2mm，冲击圈64和靶圈66的厚度分别为1.5mm和2.5mm。稳压腔室内布置的稳压腔扰流柱62和射流腔室内布置的射流腔扰流柱65的个数和排列方式相同，均为12列×6个，每个扰流柱的直径为1.2mm。冲击圈64上一共设有12列×4个冲击通孔，每个冲击通孔63直径为1.2mm。

图5显示了当冷却液入口流速为0.23m/s时，基于层板结构的冷却水套在靶圈上的温度分布云图；图6显示了当冷却液入口流速为0.23m/s时，带螺旋结构的冷却水套在靶圈上的温度分布云图。从图5和图6中可以发现，基于层板结构的冷却水套的靶圈上的最高温度为42.4℃，最低温度为36.4℃；带螺旋流道结构的冷却水套靶圈的最高温度为52.3℃，最低温度为30.1℃。可见，本发明基于层板结构的冷却水套明显提高了冷却水套的散热性能和温度均匀性，降低了本发明电主轴的温升，提高了数控机床的加工精度。

上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于层板结构的冷却水套，其特征在于，包括水套本体，所述水套本体一端设有前端盖，所述水套本体的另一端设有后端盖，所述水套本体包括由内向外依次套接的靶圈、冲击圈和水套外圈，所述冲击圈上沿厚度方向开设有若干组冲击通孔，所述冲击圈与所述靶圈之间形成环状射流腔室，所述冲击圈与所述水套外圈之间形成稳压腔室。

2.根据权利要求1所述的基于层板结构的冷却水套，其特征在于，所述环状射流腔室和/或所述稳压腔室的高度为1mm～5mm。

3.根据权利要求1所述的基于层板结构的冷却水套，其特征在于，所述冲击圈内表面设置有若干组射流腔扰流柱，所述射流腔扰流柱与所述靶圈的外表面连接。

4.根据权利要求3所述的基于层板结构的冷却水套，其特征在于，所述冲击圈的外表面设置有若干组稳压腔扰流柱，所述稳压腔扰流柱与水套外圈的内表面连接。

5.根据权利要求4所述的基于层板结构的冷却水套，其特征在于，所述冲击通孔分别与所述射流腔扰流柱和所述稳压腔扰流柱分别呈间隔排列布置。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于层板结构的冷却水套，其特征在于，所述冲击通孔的横截面为圆形或椭圆形。

7.根据权利要求5所述的基于层板结构的冷却水套，其特征在于，所述射流腔扰流柱和/或所述稳压腔扰流柱的横截面为圆形、椭圆形、水滴形、三角形、菱形或梯形。

8.一种电主轴，包括由内向外依次紧密套接的芯轴、转子、定子、冷却水套和外壳，其特征在于，所述冷却水套为权利要求1-7任一项所述的基于层板结构的冷却水套。

9.根据权利要求8所述的电主轴，其特征在于，所述基于层板结构的冷却水套的靶圈与所述定子外侧过盈配合。

10.根据权利要求8或9所述的电主轴，其特征在于，所述基于层板结构的冷却水套的水套外圈与所述外壳壳体过盈配合。

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