KX-1主轴电机冷却流道结构设计与仿真分析*

陈鹏满

（江门凯信科技实业有限公司，广东 江门 529000）

0 引言

电主轴是将主轴电机与机床主轴的功能合二为一，具有高转速、宽调速、低噪声、易于控制等特点。用于机床的电主轴部分运动部件会产生不同程度的热膨胀，导致机床加工精度下降[1]。机床加工中热误差约占总制造误差的40%~70%[2－3]，优化电主轴冷却系统，控制其温升，对提高机床加工精度具有极大的实际意义[4－5]。

主轴系统常用冷却方式是使冷却液流过定子外的冷却流道，带走其内部产生的热量。文献[6－10]分别对螺旋形流道和轴向流道进行了传热和流动特性研究，结果表明这2种流道分别适合不同结构的电主轴；文献[11－13]借鉴自然界中存在生物呼吸和循环系统的高热能交换率、较低流动阻力的网络，设计了树状分形、昆虫翅脉等仿生流道，取得了较好的效果。本文设计了单螺旋、双螺旋、轴向直流道和阵列微流道，其中，阵列微流道的设计初衷是基于仿生的概念设计和要求制作，该流道结构的工艺可用于规模生产。对4种流道进行仿真分析，为KX－1主轴电机数字样机的改进和物理样机试制提供参考。

1 电主轴热分析

电主轴定子是由硅钢片叠压而成，具有较高的磁导率。转子部分主要由转子铁芯、鼠笼和转轴等组成。转子与转轴之间是经过热套的方法来实现过盈配合，基本结构如图1所示。

图1 KX－1电主轴基本结构

1.1 电主轴热源分析

电主轴加工过程的总热源来源如图2所示。

图2 电主轴总热源关系

根据能量守恒定律可得如下表达式：