电主轴气隙与热变形耦合关系仿真分析与研究

发布时间：2019-08-16 07:19

【摘要】：为了分析电主轴气隙与热变形之间的耦合关系,采用有限元软件建立温度场-结构场耦合模型,数值模拟分析气隙大小及运行过程中气隙变化对100MD60Y4电主轴温度及热变形的影响,并通过热变形试验加以验证。试验及仿真综合结果表明:电主轴气隙与热变形之间存在耦合关系,定子温度及转轴热变形量随着气隙的增大而增加,电主轴在运行过程中,气隙随着运行时间的增加而减小,同时定子温度和转轴轴向热变形量大幅度增加。研究结果为电主轴气隙优化设计提供了一定的依据。
【图文】：

电主轴,电机损耗

aftaxialthermaldeformationincreasedgreatlyandtheresultsprovideabasisfortheoptimizationdesignofairgap．Keywords:airgap;motorizedspindle;finiteelement;thermaldeformation0引言作为高速数控机床的核心部件，电主轴的热变形极大影响着机床的加工精度。电主轴在高速旋转时，由于内部电动机的损耗生热，会引起转轴热变形［1］。经有关研究显示，由于热变形而引起的加工误差已达到40%～70%，是影响机床加工精度的主要原因之一［2］。电主轴主要是由定子、转子、轴承、转轴、水套、壳体构成，其基本结构如图1所示。电主轴热源主要是电机和轴承，即电机损耗和轴承摩擦损耗，电机损耗主要为定子损耗和转子损耗［3］。由于主轴在高速运转时，内外热源共同作用引起其内部产生大量的热量，形成非均匀的温度场，从而发生热变形［4－5］。电主轴定子通过冷却水进行水冷却，，实践表明，冷却效果较好。而转子则通过定转子间气隙中压缩空气的对流换热来带走部分热量，因此气隙大小是影响压缩空气在定转子间对流换热能力的重要参数之一。在气隙对定转子换热系数的影响研究上，Chen［6］等人指出气隙的减小会改变对流换热系数，从而改变热传递和热分布;李特［7］等人指出对流换热系数随着气隙长度增加而降低，使得定转子间传热受到抑制。图1电主轴基本结构图气隙大小影响电主轴电机损耗。近年来，国内外学者在气隙对电机损耗研究方面取得了一些成果。国外学者MValtonen［8］研究气隙长度对轴向磁通感应电动机性能的影响，发现改变气隙长度会增大定子铜损失和减少转子谐波涡流损耗;JH

电主轴,气隙,耦合关系,热变形

损耗大小;邢建斌［11］等人研究高压电机气隙长度与转子损耗的关系，说明气隙长度具有减小转子脉振损耗降低转子温度的作用;李玉山［12］等使用ANSOFT软件建立三相异步电机模型，分析得出随着气隙增大，定子电流增加，涡流损耗减小，同时气隙磁密功率因数和效率均呈现下降趋势。上述研究表明，电主轴气隙与热变形存在耦合关系，电主轴气隙与热变形间的耦合关系为复杂的非线性关系，一方面电主轴气隙影响其生热与换热，另一方面，电主轴的生热量及换热效果也影响着气隙的变化。电主轴气隙与热变形的耦合关系如图2所示。目前，针对电主轴热变形的研究很多，但考虑电主轴气隙与热变形耦合关系的研究较少。因此，本文以100MD60Y4型号电主轴为研究对象，采用有限元软件建立1/4三维主轴温度场－结构场耦合模型，分析气隙的变化与电主轴热变形的复杂耦合关系，对电主轴气隙优化设计具有重要意义。图2气隙与电主轴温度及热变形的耦合关系1理论分析及计算1．1气隙与转子脉振损耗的关系式根据电机设计理论可知，电机转子脉振损耗计算公式［11］:pp2=0．07z1n2b2012(5δ+b01)t2Bt[]22Gi2×10－6(1)式中:z1为定子槽数;n为电机转速;b01为定子槽口宽度;t2为转子齿距;δ为定转子之间的间隙;B为脉振磁通密度;Gi2为转子齿部重量。由式(1)可知，气隙与转子脉振损耗值有着直接的关系。1．2气隙与定转子间换热系数的关系式对于电主轴系统来说，温升最显著的部分为前轴承、后轴承、转子和定子。转子的热传递情况比较复杂，一部分与气隙冷却气体发生对流换热，另一部分传导给主轴。对于通有压缩空气的电主轴，压缩空气在定子和转子间处于层流状态，热量在两个表面间以
【作者单位】：沈阳建筑大学;
【基金】：国家自然科学基金项目(51375317) 辽宁省自然科学基金项目(2015020122) 国家(地方)联合工程实验室开放基金项目(SJSC-2015-6)
【分类号】：TM302

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