钻铣加工中心水冷式高速电主轴结构设计优化
发布时间：2021-09-03 15:38
随着高速加工技术的不断发展,电主轴作为数控机床及加工中心的核心部件,其对整体机床的性能和质量有着至关重要的作用。而对于水冷式钻铣用电主轴,其具有高转速,大功率,低扭矩的特点。其利用机床冷却液进行水冷循环的方式,可有效的降低电主轴温度,并且使电主轴结构更加紧凑。论文应用Ansys分析技术对钻铣加工中心水冷式高速电主轴项目中几项关键部件进行了设计对比,包括转轴的结构设计及动平衡计算,电磁部分的分析与对比,旋转密封结构的对比优化。应用计算机软甲soildworks,workbench,maxwell对电主轴主要结构参数进行了优化,并与传统计算结果进行了对比。论文研究内容为:（1）电主轴原型结构的主要结构计算通过对电主轴的定转子主要结构尺寸及主要参数的计算及返算,得出了其允许误差内的最优解。最终得出了满足电主轴设计需求的主要结构尺寸。（2）电磁性能计算及Ansys Maxwell仿真分析通过电磁性能计算,同时利用Ansys Maxwell进行仿真分析及对比。分析结果得出了,额定工作条件下的同步转速,额定扭矩,效率基本满足设计需求。（3）转轴内部弹簧拉刀装置的设计根据加工中心的安装刀柄尺寸及拉刀...
【文章来源】：苏州大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１电主轴的初定结构图??另：本设计的计算结果中，未标注的长度尺寸单位均为ｃｍ
钻铣加工中心水冷式高速电主轴结构设计优化?第二章电主轴的主要结构计算??双螺旋，或迷宫槽等。??电主轴发热主要是定子线圈发热及轴承旋转摩擦发热。轴承发热通过隔圈的喷油??孔，喷油润滑的同时，也可带走部分摩擦热量。除此之外，电主轴外侧使用双螺旋水??道进行水冷散热。可有效的带走定子线圈及轴承热量［９］。??整体电主轴外壳螺旋水道如图２－２所示。??ｒｎｐｅ—?■〇??图２－２双螺旋水道外壳示意图??使用双螺旋结构可使进出口保持在一侧，方便电主轴的安装及使用。螺旋结构外??侧，使用薄套筒进行加热后嵌套处理，冷却后内径收缩，密封水道。??对水道的过流面积及长度是否合适，可通过电主轴的温升计算求出，通常使用等??值热路的二热源或三热源法进行温升计算，设置电机的各个温度节点，使用相互间热??导联系起来，建立等效热网络［１＜）］。??本次电主轴设计通过限制热负荷ＡＪ数值的方法来控制温升，保证实际电机运行??温度不高于７５°Ｃ。??后可通过建立ｍａｘｗｅｌｌ３Ｄ模型，导入Ａｎｓｙｓ的ｆｌｕｅｎｔ的热力分析模块进行校核计??算。也可导入分析软件Ｍｏｔｏｒ－ＣＡＤ进行校核计算。??本文在以确定热特性及冷却方式确定的前提下进行电主轴的整体结构优化，热问??题不在此展开讨论。??２．３电主轴主要结构的优化计算方法??本文以电主轴的定转子尺寸及其主要性能参数：功率因数、效率、气隙磁密、线??负荷值，作为主要的优化目标。使用初步设定其初始值，通过计算与返算的方式得出??最优解，并保证其最优结果在允许的优化误差范围内，最终得到优化后的电主轴参数。??本文计算方法列出了其最终优化合格后的计算数据，之前的多组设定数据重复计??７??
钻铣加工中心水冷式高速电主轴结构设计优化?第二章电主轴的主要结构计算??ｌｔｅ＞??＿?ｕｈ。＇?彳／、／??图２－３定子槽型尺寸参数图??由以上齿宽、辄部计算高，以及其他固定参数绘制定子冲片图，绘制完成后得到??槽面积。采用合适槽满率的情况下，导线电流密度大小与选用的齿部磁密、轭部磁密??都相适应，这样的冲片是合理的。不至于导线电流密度较大，齿部和轭部磁密又较松。??或反之，应该重新考虑选用齿部和轭部磁密。??根据其结构尺寸及以下计算的参数，得出的定子相关参数，见表２．２。??（１）轭部磁路计算长??７ｔ（Ｄ｝?－ｈ．ｒ］）??Ｌ．＝—！￣（２．７）??２ｐ??（２）气隙系数??Ｋ?＿?ｆ丨（４．４４５＋?０．７５?办０１）??＾，（４．４４＾?＋?０．７５?ｂ０ｌ）￣?ｂ０ｌ２?（２?８）??（３）线包所在位置的平均直径??Ｄａｖ＼＝?Ａｌ＋２（＾０＋?＾ｌ）?＋ｈｓ２＋ｒｓ?（２?９）??（４）槽上部比漏磁导??＼ｎ?￣￣?Ｋｏ?＇?＋２ｈｓ＇?’、ｂＱ＇?＋?ｂｒ＇、?（２１０）??１１??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ANSYS的砂轮架体及电主轴的静动态特性分析[J]. 范晋伟,李相智,张红亮,印健,贾鑫. 组合机床与自动化加工技术. 2019(02)
[2]高速电主轴铣削稳定性研究[J]. 单文桃,陈小安,王洪昌,俞成涛. 振动与冲击. 2017(19)
[3]基于有限元和实验的永磁同步电主轴模态分析[J]. 于慎波,王玮琦,钟双双,赵海宁,骆开军. 重型机械. 2016(05)
[4]基于有限元法的电主轴轴承跨距优化设计[J]. 刘军,周留洋. 机械制造. 2016(07)
[5]冷却水流速对电主轴电机温升的影响分析[J]. 张丽秀,刘腾,李超群. 组合机床与自动化加工技术. 2015(08)
[6]高速静压内置式电主轴系统稳定性分析及优化[J]. 郭维祺,刘桂萍,毛文贵. 振动与冲击. 2015(06)
[7]高速电主轴冷却润滑系统的研究[J]. 魏效玲,张宝刚,陈华,尉鹤缤. 煤矿机械. 2015(03)
[8]轴承预紧力对陶瓷电主轴特性影响分析[J]. 张郊,吴玉厚,张丽秀,李颂华. 组合机床与自动化加工技术. 2015(01)
[9]基于ANSYS Workbench的ADGM电主轴结构优化[J]. 李丽丽,赵波,李安玲,何强,郭龙斌. 煤矿机械. 2015(01)
[10]高速电主轴轴向振动研究[J]. 陈小安,张朋,合烨,刘俊峰. 振动与冲击. 2014(20)
本文编号：3381384
【文章来源】：苏州大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１电主轴的初定结构图??另：本设计的计算结果中，未标注的长度尺寸单位均为ｃｍ
钻铣加工中心水冷式高速电主轴结构设计优化?第二章电主轴的主要结构计算??双螺旋，或迷宫槽等。??电主轴发热主要是定子线圈发热及轴承旋转摩擦发热。轴承发热通过隔圈的喷油??孔，喷油润滑的同时，也可带走部分摩擦热量。除此之外，电主轴外侧使用双螺旋水??道进行水冷散热。可有效的带走定子线圈及轴承热量［９］。??整体电主轴外壳螺旋水道如图２－２所示。??ｒｎｐｅ—?■〇??图２－２双螺旋水道外壳示意图??使用双螺旋结构可使进出口保持在一侧，方便电主轴的安装及使用。螺旋结构外??侧，使用薄套筒进行加热后嵌套处理，冷却后内径收缩，密封水道。??对水道的过流面积及长度是否合适，可通过电主轴的温升计算求出，通常使用等??值热路的二热源或三热源法进行温升计算，设置电机的各个温度节点，使用相互间热??导联系起来，建立等效热网络［１＜）］。??本次电主轴设计通过限制热负荷ＡＪ数值的方法来控制温升，保证实际电机运行??温度不高于７５°Ｃ。??后可通过建立ｍａｘｗｅｌｌ３Ｄ模型，导入Ａｎｓｙｓ的ｆｌｕｅｎｔ的热力分析模块进行校核计??算。也可导入分析软件Ｍｏｔｏｒ－ＣＡＤ进行校核计算。??本文在以确定热特性及冷却方式确定的前提下进行电主轴的整体结构优化，热问??题不在此展开讨论。??２．３电主轴主要结构的优化计算方法??本文以电主轴的定转子尺寸及其主要性能参数：功率因数、效率、气隙磁密、线??负荷值，作为主要的优化目标。使用初步设定其初始值，通过计算与返算的方式得出??最优解，并保证其最优结果在允许的优化误差范围内，最终得到优化后的电主轴参数。??本文计算方法列出了其最终优化合格后的计算数据，之前的多组设定数据重复计??７??
钻铣加工中心水冷式高速电主轴结构设计优化?第二章电主轴的主要结构计算??ｌｔｅ＞??＿?ｕｈ。＇?彳／、／??图２－３定子槽型尺寸参数图??由以上齿宽、辄部计算高，以及其他固定参数绘制定子冲片图，绘制完成后得到??槽面积。采用合适槽满率的情况下，导线电流密度大小与选用的齿部磁密、轭部磁密??都相适应，这样的冲片是合理的。不至于导线电流密度较大，齿部和轭部磁密又较松。??或反之，应该重新考虑选用齿部和轭部磁密。??根据其结构尺寸及以下计算的参数，得出的定子相关参数，见表２．２。??（１）轭部磁路计算长??７ｔ（Ｄ｝?－ｈ．ｒ］）??Ｌ．＝—！￣（２．７）??２ｐ??（２）气隙系数??Ｋ?＿?ｆ丨（４．４４５＋?０．７５?办０１）??＾，（４．４４＾?＋?０．７５?ｂ０ｌ）￣?ｂ０ｌ２?（２?８）??（３）线包所在位置的平均直径??Ｄａｖ＼＝?Ａｌ＋２（＾０＋?＾ｌ）?＋ｈｓ２＋ｒｓ?（２?９）??（４）槽上部比漏磁导??＼ｎ?￣￣?Ｋｏ?＇?＋２ｈｓ＇?’、ｂＱ＇?＋?ｂｒ＇、?（２１０）??１１??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ANSYS的砂轮架体及电主轴的静动态特性分析[J]. 范晋伟,李相智,张红亮,印健,贾鑫. 组合机床与自动化加工技术. 2019(02)
[2]高速电主轴铣削稳定性研究[J]. 单文桃,陈小安,王洪昌,俞成涛. 振动与冲击. 2017(19)
[3]基于有限元和实验的永磁同步电主轴模态分析[J]. 于慎波,王玮琦,钟双双,赵海宁,骆开军. 重型机械. 2016(05)
[4]基于有限元法的电主轴轴承跨距优化设计[J]. 刘军,周留洋. 机械制造. 2016(07)
[5]冷却水流速对电主轴电机温升的影响分析[J]. 张丽秀,刘腾,李超群. 组合机床与自动化加工技术. 2015(08)
[6]高速静压内置式电主轴系统稳定性分析及优化[J]. 郭维祺,刘桂萍,毛文贵. 振动与冲击. 2015(06)
[7]高速电主轴冷却润滑系统的研究[J]. 魏效玲,张宝刚,陈华,尉鹤缤. 煤矿机械. 2015(03)
[8]轴承预紧力对陶瓷电主轴特性影响分析[J]. 张郊,吴玉厚,张丽秀,李颂华. 组合机床与自动化加工技术. 2015(01)
[9]基于ANSYS Workbench的ADGM电主轴结构优化[J]. 李丽丽,赵波,李安玲,何强,郭龙斌. 煤矿机械. 2015(01)
[10]高速电主轴轴向振动研究[J]. 陈小安,张朋,合烨,刘俊峰. 振动与冲击. 2014(20)
本文编号：3381384
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