高頻電主軸的發熱及其對策
李立毅，崔淑梅，宋 凱，程樹康
(哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱150001)
摘要：對高頻電主軸的發熱及損耗狀況進行了分析，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的特點，并提出了減小其損耗和改進其冷卻狀況的措施，
關鍵詞：高頻電主軸；發熱；損耗
中圖分類號：tm343. 2 tm301. 41 文獻標識碼：a 文章編號：1001-6848(2000)03-0047-03
1 引 言
變頻調速的高速主軸電機（高頻電主軸）是一種高精度、高轉速的三相異步電動機，轉速范圍大約是5 000~150 000r／min，在軸承生產行業有普遍的應用。目前，電主軸的研究趨向大功率、長壽命和高效率等方向發展。隨著直接驅動技術的發展，這種類型的電機也逐漸在機床、紡織、化工機械等領域得到應用。但是，高頻電主轱在設計和制造過程中還存在問題，表現在工作壽命短、維修頻率高、費用大等方面。目前，德國gmn公司的標準壽命是1 500h，而國產電主軸的平均使用壽命還不到800h。在電機的設計和制造過程中存在的許多問題中，電主軸的發熱是其損壞的重要因素，有必要對其進行分析并提出改進方案。圖1給出了研制的油霧潤滑高頻電主軸的結構簡圖。
2高頻電主軸的工況特點
一般，電機中有6種能和物質的通量：電流、磁通量、力、熱流、冷卻介質流和潤滑流。對于前3種——電流、磁通量和力，人們已經做過許多細致的研究工作，很好地揭示了這些現象的物理狀況，并已能夠用一些具有足夠精度的計算方法將它們表示出來。至于其余3種——熱流、冷卻介質流和潤滑流，即有關流體動力學和熱交換方面的課題，人們對它們研究的較少[1]。尤其是對中小型高負荷體積比的電機（如電主軸）的研究就更少。電主軸的工作條件是極為苛刻的，由于采用變頻調速使電機在高轉速下工作，相同功率的電機要比工頻電機的體積小得多。以普通y系列電機為例，轉速為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，如何根據電流、磁通量和力的一些要求來正確地確定電機的基本結構，以及隨著電主軸單位負荷的提高，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工作。
對于電主軸，它工作在充滿油霧、水氣和粉塵的惡劣環境中。影響電主軸使用壽命的因素有很多，原因也很復雜。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)軸承的結構形式和質量的影響。
(2)轉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動（主要是定子）部分的損壞。而發熱是造成絕緣材料性能下降的關鍵因素。
由上述分析可以看出，主軸電機的發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]
根據電主軸結構緊湊、體積小、功率大的特點，在電機的電磁設計和計算過程中要嚴格控制損耗。同其它電機類似，電主軸的損耗分為4類，即機械損耗、電損耗、磁損耗和附加損耗。
3.1機械損耗
在電主軸中，機械損耗主要有兩部分組成。一是軸承旋轉時產生的軸承損耗；二是由于轉子零部件高速旋轉時與空氣間的摩擦損耗。
為提高電主軸的剛度和承受復雜載荷的能力并減小其體積，在電主軸中多采用成對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速。當然，這樣也增加了軸承的損耗。滾動軸承的損耗一般可按下式進行計算：
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