高頻電主軸的發(fā)熱及其對(duì)策
李立毅，崔淑梅，宋 凱，程樹康
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)
摘要：對(duì)高頻電主軸的發(fā)熱及損耗狀況進(jìn)行了分析，指出了影響電主軸壽命的主要因素和不同于普通異步電機(jī)的特點(diǎn)，并提出了減小其損耗和改進(jìn)其冷卻狀況的措施，
關(guān)鍵詞：高頻電主軸；發(fā)熱；損耗
中圖分類號(hào)：tm343. 2 tm301. 41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1001-6848(2000)03-0047-03
1 引 言
變頻調(diào)速的高速主軸電機(jī)（高頻電主軸）是一種高精度、高轉(zhuǎn)速的三相異步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速范圍大約是5 000~150 000r／min，在軸承生產(chǎn)行業(yè)有普遍的應(yīng)用。目前，電主軸的研究趨向大功率、長壽命和高效率等方向發(fā)展。隨著直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，這種類型的電機(jī)也逐漸在機(jī)床、紡織、化工機(jī)械等領(lǐng)域得到應(yīng)用。但是，高頻電主轱在設(shè)計(jì)和制造過程中還存在問題，表現(xiàn)在工作壽命短、維修頻率高、費(fèi)用大等方面。目前，德國gmn公司的標(biāo)準(zhǔn)壽命是1 500h，而國產(chǎn)電主軸的平均使用壽命還不到800h。在電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造過程中存在的許多問題中，電主軸的發(fā)熱是其損壞的重要因素，有必要對(duì)其進(jìn)行分析并提出改進(jìn)方案。圖1給出了研制的油霧潤滑高頻電主軸的結(jié)構(gòu)簡圖。
2高頻電主軸的工況特點(diǎn)
一般，電機(jī)中有6種能和物質(zhì)的通量：電流、磁通量、力、熱流、冷卻介質(zhì)流和潤滑流。對(duì)于前3種——電流、磁通量和力，人們已經(jīng)做過許多細(xì)致的研究工作，很好地揭示了這些現(xiàn)象的物理狀況，并已能夠用一些具有足夠精度的計(jì)算方法將它們表示出來。至于其余3種——熱流、冷卻介質(zhì)流和潤滑流，即有關(guān)流體動(dòng)力學(xué)和熱交換方面的課題，人們對(duì)它們研究的較少[1]。尤其是對(duì)中小型高負(fù)荷體積比的電機(jī)（如電主軸）的研究就更少。電主軸的工作條件是極為苛刻的，由于采用變頻調(diào)速使電機(jī)在高轉(zhuǎn)速下工作，相同功率的電機(jī)要比工頻電機(jī)的體積小得多。以普通y系列電機(jī)為例，轉(zhuǎn)速為2 900r/min的y132s2 -2的額定功率為7.5kw，外型尺寸為0270mmx475mm，重量約為70kg，而相同功率的30 000r/min的電主軸的外形尺寸僅為q)140mm×240mm，重量不到15kg，相差極為懸殊。因此，如何根據(jù)電流、磁通量和力的一些要求來正確地確定電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，以及隨著電主軸單位負(fù)荷的提高，如何解決電主軸的散熱、冷卻和潤滑等方面的問題將是具有重要意義的一項(xiàng)工作。
對(duì)于電主軸，它工作在充滿油霧、水氣和粉塵的惡劣環(huán)境中。影響電主軸使用壽命的因素有很多，原因也很復(fù)雜。總的來說，電主軸的損壞，主要有兩方面的原因[2]：
其一，是由于電主軸軸承的損壞造成的，主要由于：
(1)軸承的結(jié)構(gòu)形式和質(zhì)量的影響。
(2)轉(zhuǎn)子及其部件的加工精度和精度保持性不好。
(3)電主軸工作過程中發(fā)熱的影響。
(4)軸承的潤滑、冷卻不夠充分。
其二，是由于電主軸的絕緣性能降低而造成電驅(qū)動(dòng)（主要是定子）部分的損壞。而發(fā)熱是造成絕緣材料性能下降的關(guān)鍵因素。
由上述分析可以看出，主軸電機(jī)的發(fā)熱和散熱狀況成為影響電主軸工作壽命的決定因素。
3電主軸的損耗分析[3]
根據(jù)電主軸結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、功率大的特點(diǎn)，在電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)和計(jì)算過程中要嚴(yán)格控制損耗。同其它電機(jī)類似，電主軸的損耗分為4類，即機(jī)械損耗、電損耗、磁損耗和附加損耗。
3.1機(jī)械損耗
在電主軸中，機(jī)械損耗主要有兩部分組成。一是軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的軸承損耗；二是由于轉(zhuǎn)子零部件高速旋轉(zhuǎn)時(shí)與空氣間的摩擦損耗。
為提高電主軸的剛度和承受復(fù)雜載荷的能力并減小其體積，在電主軸中多采用成對(duì)安裝的角接觸球軸承（見圖1），在相同的條件下，它能比其它類型的軸承承受更高的轉(zhuǎn)速。當(dāng)然，這樣也增加了軸承的損耗。滾動(dòng)軸承的損耗一般可按下式進(jìn)行計(jì)算：
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