高频电主轴的发热及其对策
李立毅，崔淑梅，宋 凯，程树康
(哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)
摘要：对高频电主轴的发热及损耗状况进行了分析，指出了影响电主轴寿命的主要因素和不同于普通异步电机的特点，并提出了减小其损耗和改进其冷却状况的措施，
关键词：高频电主轴；发热；损耗
中图分类号：tm343. 2 tm301. 41 文献标识码：a 文章编号：1001-6848(2000)03-0047-03
1 引 言
变频调速的高速主轴电机（高频电主轴）是一种高精度、高转速的三相异步电动机，转速范围大约是5 000~150 000r／min，在轴承生产行业有普遍的应用。目前，电主轴的研究趋向大功率、长寿命和高效率等方向发展。随着直接驱动技术的发展，这种类型的电机也逐渐在机床、纺织、化工机械等领域得到应用。但是，高频电主轱在设计和制造过程中还存在问题，表现在工作寿命短、维修频率高、费用大等方面。目前，德国gmn公司的标准寿命是1 500h，而国产电主轴的平均使用寿命还不到800h。在电机的设计和制造过程中存在的许多问题中，电主轴的发热是其损坏的重要因素，有必要对其进行分析并提出改进方案。图1给出了研制的油雾润滑高频电主轴的结构简图。
2高频电主轴的工况特点
一般，电机中有6种能和物质的通量：电流、磁通量、力、热流、冷却介质流和润滑流。对于前3种——电流、磁通量和力，人们已经做过许多细致的研究工作，很好地揭示了这些现象的物理状况，并已能够用一些具有足够精度的计算方法将它们表示出来。至于其余3种——热流、冷却介质流和润滑流，即有关流体动力学和热交换方面的课题，人们对它们研究的较少[1]。尤其是对中小型高负荷体积比的电机（如电主轴）的研究就更少。电主轴的工作条件是极为苛刻的，由于采用变频调速使电机在高转速下工作，相同功率的电机要比工频电机的体积小得多。以普通y系列电机为例，转速为2 900r/min的y132s2 -2的额定功率为7.5kw，外型尺寸为0270mmx475mm，重量约为70kg，而相同功率的30 000r/min的电主轴的外形尺寸仅为q)140mm×240mm，重量不到15kg，相差极为悬殊。因此，如何根据电流、磁通量和力的一些要求来正确地确定电机的基本结构，以及随着电主轴单位负荷的提高，如何解决电主轴的散热、冷却和润滑等方面的问题将是具有重要意义的一项工作。
对于电主轴，它工作在充满油雾、水气和粉尘的恶劣环境中。影响电主轴使用寿命的因素有很多，原因也很复杂。总的来说，电主轴的损坏，主要有两方面的原因[2]：
其一，是由于电主轴轴承的损坏造成的，主要由于：
(1)轴承的结构形式和质量的影响。
(2)转子及其部件的加工精度和精度保持性不好。
(3)电主轴工作过程中发热的影响。
(4)轴承的润滑、冷却不够充分。
其二，是由于电主轴的绝缘性能降低而造成电驱动（主要是定子）部分的损坏。而发热是造成绝缘材料性能下降的关键因素。
由上述分析可以看出，主轴电机的发热和散热状况成为影响电主轴工作寿命的决定因素。
3电主轴的损耗分析[3]
根据电主轴结构紧凑、体积小、功率大的特点，在电机的电磁设计和计算过程中要严格控制损耗。同其它电机类似，电主轴的损耗分为4类，即机械损耗、电损耗、磁损耗和附加损耗。
3.1机械损耗
在电主轴中，机械损耗主要有两部分组成。一是轴承旋转时产生的轴承损耗；二是由于转子零部件高速旋转时与空气间的摩擦损耗。
为提高电主轴的刚度和承受复杂载荷的能力并减小其体积，在电主轴中多采用成对安装的角接触球轴承（见图1），在相同的条件下，它能比其它类型的轴承承受更高的转速。当然，这样也增加了轴承的损耗。滚动轴承的损耗一般可按下式进行计算：
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