本發(fā)明屬于電主軸冷卻控溫，涉及電主軸在高速運轉(zhuǎn)過程中的熱量管理，具體是一種基于點陣結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床電主軸的冷卻結(jié)構(gòu)，旨在提高電主軸的溫度均一性并降低冷卻介質(zhì)的流動阻力。

背景技術(shù)：

1、電主軸是現(xiàn)代數(shù)控機床和精密加工設(shè)備中的核心部件，主要用于將電能轉(zhuǎn)化為機械能，實現(xiàn)高效的旋轉(zhuǎn)運動。電主軸的設(shè)計通常將電機與機床主軸集成在一起，通過直接驅(qū)動方式取代了傳統(tǒng)的傳動系統(tǒng)，使得機床能夠?qū)崿F(xiàn)更高精度和更快的響應(yīng)速度。作為精密加工機床的核心功能部件，電主軸不僅能夠承受高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，還需要在高精度加工中保持良好的穩(wěn)定性。電主軸廣泛應(yīng)用于各類數(shù)控機床、加工中心以及其他需要高精度、高效率加工的設(shè)備中，其性能直接決定了整個加工系統(tǒng)的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

2、工業(yè)母機的飛速發(fā)展對電主軸提出了更為苛刻的要求，隨著電主軸更高轉(zhuǎn)速、速度控制、低振動水平和高功率的性能需求增加，促使在電主軸上必須使用高速電機。高速電主軸作為精密加工機床的核心功能部件，通過將電機與主軸相配合，并安裝于電機套筒內(nèi)，優(yōu)化傳動方式，提高工作效率。高速電主軸在工作過程中主要的產(chǎn)熱方式有電機生熱、軸承摩擦、液壓摩擦、電磁生熱等，這些熱量如果不能及時有效地散發(fā)，將會導(dǎo)致電主軸內(nèi)部溫度升高，進而引發(fā)熱膨脹效應(yīng)，導(dǎo)致零件熱變形和加工誤差。

3、為了控制電主軸的溫度，現(xiàn)有技術(shù)中廣泛采用冷卻系統(tǒng)對其進行熱管理。目前冷卻方式多采用在電機套筒開設(shè)流道，冷卻介質(zhì)環(huán)繞電機套筒流動，從一端流向另一端，冷卻介質(zhì)在流程中溫度逐漸上升，導(dǎo)致電機套筒溫度的不均勻，形成明顯的溫度梯度。這種溫度梯度會導(dǎo)致電主軸內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而影響主軸的穩(wěn)定性和加工精度。此外，為了改善冷卻效果，現(xiàn)有的冷卻設(shè)計為了增加流程會增往往加折流板的數(shù)量，通過增加冷卻介質(zhì)的流動路徑來延長冷卻時間，從而提高熱量的帶走效率。然而，增加折流板的數(shù)量會導(dǎo)致冷卻介質(zhì)流動阻力的上升，導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)的能耗增加，同時可能引發(fā)冷卻介質(zhì)流動的不穩(wěn)定性，進一步影響冷卻效果。

4、綜上所述，現(xiàn)有電主軸冷卻技術(shù)在溫度均一性、流動阻力、流動路徑設(shè)計等方面存在諸多不足，這些問題不僅影響了電主軸的性能和加工精度，還可能導(dǎo)致設(shè)備的故障和能耗的增加。因此，如何優(yōu)化電主軸的冷卻結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)更均勻的溫度分布和更低的流動阻力，是亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、(一)發(fā)明目的

2、針對上述現(xiàn)有電主軸冷卻技術(shù)在溫度均勻性差、流動阻力大以及流動路徑設(shè)計不合理等缺點和不足，為解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述以及其他方面的至少一種技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種基于點陣結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床電主軸冷卻結(jié)構(gòu)。該冷卻結(jié)構(gòu)主要通過在電機套筒上合理布置折流板和點陣結(jié)構(gòu)，使得冷卻介質(zhì)流經(jīng)孔隙率漸變的點陣結(jié)構(gòu)對電主軸進行冷卻，從而提升電機套筒的溫度均一性以及降低冷卻介質(zhì)在流動過程中的流阻，從而實現(xiàn)更高效的熱管理。該冷卻結(jié)構(gòu)不僅提升了電機套筒內(nèi)部的溫度均一性，還通過優(yōu)化的流動路徑設(shè)計減少了因流動阻力導(dǎo)致的能耗，確保電主軸在高速、高精度加工中保持良好的熱穩(wěn)定性和工作效率。

3、(二)技術(shù)方案

4、為實現(xiàn)該發(fā)明目的，解決其技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

5、一種基于點陣結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床電主軸冷卻結(jié)構(gòu)，用于提高電主軸冷卻效率、改善溫度均一性并降低冷卻介質(zhì)的流動阻力，至少包括一電機套筒，所述電機套筒內(nèi)設(shè)有主軸、電機轉(zhuǎn)子和電機定子，所述主軸同心固定套設(shè)于電機轉(zhuǎn)子中，其特征在于：

6、所述電機套筒整體為一沿軸向延伸的環(huán)形筒狀結(jié)構(gòu)體，其圓柱側(cè)壁整體構(gòu)造形成為一沿軸向延伸的用于冷卻介質(zhì)循環(huán)流動的環(huán)形夾層空間，所述環(huán)形夾層空間的外壁上設(shè)有與其連通的至少一冷卻介質(zhì)入口和兩冷卻介質(zhì)出口，其中，所述冷卻介質(zhì)入口在軸向上設(shè)置在外壁的中心位置附近，兩所述冷卻介質(zhì)出口在軸向上分別設(shè)置在外壁的兩端，且所述冷卻介質(zhì)入口通過管路與一提供冷卻介質(zhì)的外部冷源的出口連通，所述冷卻介質(zhì)出口通過管路與所述外部冷源的入口連通，從而形成一冷卻介質(zhì)循環(huán)流路；

7、所述環(huán)形夾層空間中沿軸向分布設(shè)置有若干環(huán)繞布置的環(huán)形折流板，所述折流板設(shè)計為將環(huán)形夾層空間在軸向上分隔為若干相互獨立的子空間，其中在軸向上位于中心位置處的子空間與所述冷卻介質(zhì)入口連通，在軸向上位于兩端的兩子空間分別與所述冷卻介質(zhì)出口連通，且每一所述折流板上均設(shè)有一用于冷卻介質(zhì)通過的開口段，并且相鄰兩所述折流板的開口段在周向上呈上下交錯排布，以形成冷卻介質(zhì)的循環(huán)流動路徑；

8、所述環(huán)形夾層空間的每一子空間中均分布設(shè)置有點陣結(jié)構(gòu)，且在每一子空間中，所述點陣結(jié)構(gòu)的孔隙率大小沿冷卻介質(zhì)的流動方向漸變，初始位置附近的點陣結(jié)構(gòu)具有較大孔隙率以降低初始流動阻力，終止位置附近的點陣結(jié)構(gòu)具有較小孔隙率以增大熱交換面積并獲得較高的雷諾數(shù)。

9、(三)技術(shù)效果

10、同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的基于點陣結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床電主軸冷卻結(jié)構(gòu)，具有以下有益且顯著的技術(shù)效果：

11、(1)本發(fā)明通過在電機套筒內(nèi)設(shè)置環(huán)繞布置的折流板和具有漸變孔隙率的點陣結(jié)構(gòu)，使冷卻介質(zhì)在整個冷卻路徑中能夠充分接觸點陣結(jié)構(gòu)，并有效帶走熱量。點陣結(jié)構(gòu)的孔隙率沿冷卻介質(zhì)的流動方向逐漸減小，初始段采用較大孔隙率以降低流動阻力，終止段采用較小孔隙率以增大換熱面積，從而確保了冷卻介質(zhì)在整個流程中的熱交換效率，大幅減少了溫度梯度，確保了電主軸的溫度分布均勻性，進而提高了加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量。

12、(2)本發(fā)明通過減少折流板的數(shù)量以及合理的點陣結(jié)構(gòu)布局，使冷卻介質(zhì)能夠在保持足夠流動路徑的同時，很大程度上降低了冷卻介質(zhì)的流阻，特別是在初始段，點陣結(jié)構(gòu)較大的孔隙率有效降低了冷卻介質(zhì)的初始流動阻力，使冷卻介質(zhì)能夠順暢流動，從而減小因流動產(chǎn)生的額外能耗，提高了冷卻系統(tǒng)的整體效率，并且降低了電主軸冷卻系統(tǒng)的運行能耗。

13、(3)本發(fā)明通過合理的點陣結(jié)構(gòu)布局，點陣結(jié)構(gòu)初始部分的大小根據(jù)冷卻介質(zhì)的粘度選擇合適的孔隙率，能夠保障在穩(wěn)定流動的同時，獲得更好的傳熱效果。點陣結(jié)構(gòu)沿流程方向大小漸變，相對位置不變。這樣可以使孔隙率減小獲得較高的雷諾數(shù)；同時，增大了點陣結(jié)構(gòu)的側(cè)面積，獲得了更大的換熱面積，從而減小溫差變小對換熱能力的不良影響。

14、(4)本發(fā)明通過電機定子及軸承室等部位的溫度傳感器將信號傳輸給溫度控制器，結(jié)合pid方法傳遞電信號給流量調(diào)節(jié)閥，控制冷卻介質(zhì)的流量，從而減少冷量的過度浪費。溫度控制系統(tǒng)結(jié)合了多點溫度傳感器、溫度控制器和流量調(diào)節(jié)閥，能夠?qū)崟r監(jiān)測電主軸內(nèi)部的溫度變化，并根據(jù)預(yù)設(shè)的溫度閾值和pid控制算法，對冷卻介質(zhì)的流量進行精確調(diào)節(jié)，確保了電主軸在不同工況下都能夠維持最佳的冷卻狀態(tài)，避免了溫度波動過大導(dǎo)致的加工精度下降，同時也減少了冷卻能量的浪費。

技術(shù)特征：

1.一種基于點陣結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床電主軸冷卻結(jié)構(gòu)，至少包括一電機套筒，所述電機套筒內(nèi)設(shè)有主軸、電機轉(zhuǎn)子和電機定子，所述主軸同心固定套設(shè)于電機轉(zhuǎn)子中，其特征在于：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于點陣結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床電主軸冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述折流板的數(shù)量根據(jù)電機套筒環(huán)形夾層空間的軸向長度和冷卻介質(zhì)的流動特性進行優(yōu)化設(shè)置，以確保冷卻介質(zhì)在流經(jīng)各折流板之間的路徑時能夠充分接觸點陣結(jié)構(gòu)并均勻散熱，并確保冷卻介質(zhì)有足夠的流程時間進行熱交換，同時保持流動阻力在可接受范圍內(nèi)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于點陣結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床電主軸冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述折流板采用變截面設(shè)計，其厚度和開口段的形狀沿軸向逐漸變化，靠近所述冷卻介質(zhì)入口處的折流板較薄且開口段較大以減小初始流動阻力，靠近所述冷卻介質(zhì)出口處的折流板較厚且開口段較小以增加熱交換。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于點陣結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床電主軸冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于，在每一子空間中，所述點陣結(jié)構(gòu)在初始位置的孔隙率根據(jù)冷卻介質(zhì)的粘度確定，以在保證穩(wěn)定流動的同時獲得較好的傳熱效果，且所述點陣結(jié)構(gòu)的孔隙率大小沿冷卻介質(zhì)的流動方向逐漸減小，以通過改變孔隙率獲得較高的雷諾數(shù)，同時增大換熱面積。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于點陣結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床電主軸冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述點陣結(jié)構(gòu)采用熱導(dǎo)率高及耐腐蝕材料制成，其幾何形狀選自bcc結(jié)構(gòu)、fcc結(jié)構(gòu)、hcp結(jié)構(gòu)、金剛石結(jié)構(gòu)、拱形點陣結(jié)構(gòu)、針翅狀結(jié)構(gòu)、蜂窩狀結(jié)構(gòu)和骨架結(jié)構(gòu)中的至少一種，并根據(jù)冷卻介質(zhì)的流動特性和熱交換需求進行設(shè)置。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于點陣結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床電主軸冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述點陣結(jié)構(gòu)的孔隙率范圍為30％～90％，且在初始位置的孔隙率較大并保持在70％～90％以減少流動阻力，終止位置的孔隙率較小并保持在30％～50％以增大熱交換面積并提升冷卻效果。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于點陣結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床電主軸冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電機套筒軸向兩端分別設(shè)有前軸承室和后軸承室，所述主軸通過所述前軸承室和后軸承室中的軸承部件同心且轉(zhuǎn)動支撐于所述電機套筒中，并且所述主軸的兩端在軸向上分別伸出于所述電機套筒外部。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于點陣結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床電主軸冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電主軸冷卻結(jié)構(gòu)還包括一溫度控制系統(tǒng)，所述溫度控制系統(tǒng)至少包括一溫度控制器以及與所述溫度控制器通信連接的溫度傳感器和流量調(diào)節(jié)閥，其中，所述溫度傳感器設(shè)置在電機定子、前軸承室、后軸承室、冷卻介質(zhì)入口和/或冷卻介質(zhì)出口部位以實時監(jiān)測各關(guān)鍵部位的溫度變化，所述流量調(diào)節(jié)閥設(shè)置在所述環(huán)形夾層空間的冷卻介質(zhì)入口和/或冷卻介質(zhì)出口與外部冷源之間的連通管路上，所述溫度控制器根據(jù)各測溫點的實時溫度數(shù)據(jù)，通過控制所述流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)的流量。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于點陣結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床電主軸冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述溫度控制系統(tǒng)還包括與溫度控制器通信連接的冷卻介質(zhì)流量檢測裝置，所述冷卻介質(zhì)流量檢測裝置設(shè)置在所述環(huán)形夾層空間的冷卻介質(zhì)入口和/或冷卻介質(zhì)出口與外部冷源之間的連通管路上，用于實時檢測冷卻介質(zhì)在環(huán)形夾層空間中的流動速度和流量，并通過所述溫度控制器對流量調(diào)節(jié)閥進行進一步精細化控制。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于點陣結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床電主軸冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述溫度控制器結(jié)合預(yù)設(shè)的溫度閾值和pid控制算法，根據(jù)各溫度傳感器反饋的實時溫度數(shù)據(jù)和/或電主軸負(fù)載參數(shù)實時調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)的流量，其中，所述溫度閾值根據(jù)電主軸的工作狀態(tài)、環(huán)境條件以及冷卻介質(zhì)的流動特性進行動態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)不同工況下的冷卻需求。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于點陣結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床電主軸冷卻結(jié)構(gòu)，旨在提高電主軸的冷卻效率、改善溫度均一性并降低冷卻介質(zhì)的流動阻力。該冷卻結(jié)構(gòu)包括一電機套筒，其圓柱側(cè)壁構(gòu)造形成環(huán)形夾層空間。夾層空間內(nèi)設(shè)有環(huán)形折流板，將空間分隔為若干子空間，每個子空間中分布有點陣結(jié)構(gòu)體。點陣結(jié)構(gòu)的孔隙率沿冷卻介質(zhì)流動方向漸變，實現(xiàn)流動阻力與熱交換效率的優(yōu)化平衡。冷卻介質(zhì)通過中心入口進入，經(jīng)過交錯排布的折流板開口段形成循環(huán)流動路徑，最終從兩端出口排出。該結(jié)構(gòu)還配備溫度控制系統(tǒng)，并通過PID方法動態(tài)調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)的流量，從而實現(xiàn)冷卻過程的優(yōu)化控制。本發(fā)明通過創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制策略，顯著提升了電主軸的冷卻性能和溫度均勻性。

技術(shù)研發(fā)人員：杜寶瑞,姚俊,張心豪,楊海龍,張曉峰
受保護的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院工程熱物理研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21