永磁同步電主軸熱態(tài)特性分析

伴隨著數(shù)控機(jī)床技術(shù)的高速發(fā)展，對電主軸的永磁同步技術(shù)要求越來越高。雖然PMSM主軸以其高功率、高效率等優(yōu)點(diǎn)日益得到人們的重視，但其發(fā)熱所帶來的熱變形問題仍制約著精密機(jī)床精度的提高。為此，本論文通過對永磁同步電主軸的加熱傳熱規(guī)律及影響因素的分析，利用有限元軟件模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對永磁同步電主軸系統(tǒng)的熱態(tài)特性進(jìn)行了研究，主要工作如下：分析了永磁同步電主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、傳熱機(jī)理、散熱機(jī)理。

根據(jù)現(xiàn)代傳熱學(xué)理論，建立了永磁同步電主軸的溫度場數(shù)學(xué)模型，給出了其定解條件；用有限元方法求解熱傳導(dǎo)微分方程；用變分法從理論上推導(dǎo)出主軸的溫度場。本文從理論上分析了永磁同步電主軸內(nèi)的永磁電機(jī)和軸承產(chǎn)生的熱量，并定量計(jì)算了主軸內(nèi)的軸承和電機(jī)產(chǎn)生的熱量。

針對主軸的傳熱特性，分析了其關(guān)鍵部件的熱邊界條件，包括螺旋管內(nèi)冷卻液換熱系數(shù)與流量的關(guān)系、其他主要傳熱邊界對流換熱系數(shù)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。通過建立永磁同步電主軸溫度場有限元分析模型，對其溫度場進(jìn)行有限元分析，研究其關(guān)鍵部件在起動(dòng)、穩(wěn)定工作階段及不同轉(zhuǎn)速下的溫升規(guī)律。

利用結(jié)合共軛梯度法和ANSYS軟件建立的主軸有限元熱分析模型，結(jié)合傳熱理論，建立了永磁同步電主軸軸承熱源的反演模型。建立了PMSM主軸溫度場實(shí)驗(yàn)平臺，對PMSM有限元熱分析模型的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。

在現(xiàn)有溫度場試驗(yàn)條件下，反演了不同轉(zhuǎn)速下主軸起動(dòng)階段的軸承生熱，建立了永磁同步電主軸的有限元熱分析修正模型，驗(yàn)證了修正后分析模型的正確性。通過對永磁同步電軸的溫度-結(jié)構(gòu)耦合有限元分析，探討了由其內(nèi)部熱荷載引起的熱變形及熱應(yīng)力對結(jié)構(gòu)與變形的影響。