永磁同步电主轴热态特性分析

摘要：随着数控机床技术的高速发展,人们对永磁同步电主轴的技术要求越来越高。永磁同步电主轴因功率密度大和效率高的优势越来越受到人们的认可,但其发热导致的热变形问题仍然制约着精密机床精度的提高。因此,本文从分析永磁同步电主轴的发热和传热规律及影响因素出发,采用有限元软件仿真与实验相结合的方法对主轴系统的热态性能进行了研究,具体工作如下:分析了永磁同步电主轴系统的结构特点、主轴传热以及散热的机制,研究了永磁同步电主轴的热态特性规律。

依据现代传热学理论,确定了永磁同步电主轴温度场数学模型和定解条件;采用有限元法,求解导热微分方程,并采用变分法对主轴温度场进行了理论推导。对永磁同步电主轴内置永磁电机和轴承产热进行了理论分析,定量计算了主轴内部轴承和电机的发热量。

根据主轴的传热特性,分析了其关键部件热边界条件,包括螺旋管道内冷却液换热系数与流量的关系,以及其它主要热边界对流换热系数与转速之间的关系。建立了永磁同步电主轴温度场有限元热分析模型,对其进行温度场的有限元分析,探究了主轴各关键部件在启动阶段、稳定运行阶段以及在不同转速下的温升规律。

根据热传导反演理论,联合共轭梯度法和基于ANSYS软件构建的主轴有限元热分析模型,建立了永磁同步电主轴轴承热源反演模型。搭建永磁同步电主轴温度场实验平台,验证了永磁同步电主轴有限元热分析模型的可靠性。

基于现有的温度场实验条件,对主轴启动阶段与不同转速下的轴承生热进行反演,得到了修正后的永磁同步电主轴有限元热分析模型,并验证修正后分析模型的准确性。进行永磁同步电主轴温度-结构耦合有限元分析,探究了主轴内部热载荷产生的热变形和热应力对主轴结构与变形的影响。