一种基于液态金属冷却的电主轴及高速异步电机
阅读说明：本技术 一种基于液态金属冷却的电主轴及高速异步电机 (Electric spindle and high-speed asynchronous motor based on liquid metal cooling ) 是由 李法敬 黄彦博 李子豪 柴牧 王道勇 王志锋 于 2021-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于液态金属冷却的电主轴及高速异步电机,所述电主轴包括壳体、定子、转子、转轴和冷却模块；转轴内的冷却循环通道内装有液态金属；所述冷却模块包括导体和永磁铁组；所述导体对称设置在所述转轴的径向方向的两侧,该导体两端分别伸入到冷却循环通道的两侧；两组永磁铁组分别位于导体的轴线方向的两侧；每组永磁铁组中的N极和S极设在转轴径向方向的两侧；且两组永磁铁组中的N极和S极的设置位置相反；所述转轴的端部位于冷却室中,所述壳体上设置有与冷却室连通的冷却液进口和冷却液出口。本发明的电主轴可以实现电主轴轴心热量的快速导出,有效地控制电主轴轴心处的温升,减小热变形,提高加工精度。(The invention discloses an electric spindle and a high-speed asynchronous motor based on liquid metal cooling, wherein the electric spindle comprises a shell, a stator, a rotor, a rotating shaft and a cooling module; liquid metal is filled in a cooling circulation channel in the rotating shaft; the cooling module comprises a conductor and a permanent magnet group; the conductors are symmetrically arranged on two sides of the rotating shaft in the radial direction, and two ends of each conductor extend into two sides of the cooling circulation channel respectively; the two groups of permanent magnet groups are respectively positioned at two sides of the axial direction of the conductor; the N pole and the S pole in each group of permanent magnet groups are arranged on two sides of the rotating shaft in the radial direction; the arrangement positions of the N pole and the S pole in the two groups of permanent magnet groups are opposite; the end part of the rotating shaft is positioned in the cooling chamber, and the shell is provided with a cooling liquid inlet and a cooling liquid outlet which are communicated with the cooling chamber. The electric spindle can realize quick conduction of heat of the axis of the electric spindle, effectively control temperature rise at the axis of the electric spindle, reduce thermal deformation and improve processing precision.)
技术领域
本发明涉及一种电主轴，具体为一种基于液态金属冷却的电主轴及高速异步电机。
背景技术
在高速精密加工中，热变形引起的加工误差所占的比例高达40％-70％。高速电主轴作为数控机床的核心部件，直接关系着数控机床所能达到的加工精度。受电主轴结构因素的限制，电机及轴承所产生的热量积聚在转轴部位，无法及时有效导出，导致温升并产生形变，引起主轴配合尺寸变化，最终影响加工精度。
电主轴的热源主要包括电机和轴承两部分。轴承产生热量主要是由滚于动体与内外圈之间的摩擦作用；而电机产生的热量主要包括定子绕组铜耗发热和转轴铁损发热以及转轴高速旋转时摩擦周围空气所产生的热量，其中定子发热约占总发热量的2/3，转轴发热约占1/3。
目前，油-气、油-雾等新型润滑冷却技术及气浮、液压等新型支承技术的成功应用，大幅改善了轴承的发热问题。定子螺旋水(油)套的普及，解决了电机定子的发热问题。而电机转轴由于处于高速旋转状态，则尚无行之有效的冷却方法，是高速电主轴系统的热薄弱环节。
目前已有的轴芯冷却方法，部分是将高压冷却流体利用旋转密封接头通入转轴轴芯冷却流道，以实现高效冷却。但该方法需克服旋转动密封问题，而转速的大幅提高将使得旋转密封难度急剧增大，导致冷却成本的增加和可靠性的下降。部分是利用热管或热虹吸管的结构特性，将其引入电主轴轴芯并实现电主轴热量的引出，但是热管是依靠温差产生压差进而驱动内部液体流动传热，使得高热流密度时轴芯温度过高。
因此，电主轴的转轴系统仍是高速电主轴的热薄弱环节，其高效冷却面临巨大挑战。电机转轴及轴承产生的热量不断堆积而形成“外冷内热”的温度分布格局，导致热变形，严重制约数控机床的加工精度的提高。
因此，如何实现高速电主轴的轴芯的高效冷却，是进一步提高数控机床加工精度的关键。
发明内容
本发明在于克服现有技术的不足，提供一种基于液态金属冷却的电主轴，所述电主轴可以实现对电主轴的轴心热量的快速导出，有效地控制电主轴轴心处的温升，减小热变形，提高加工精度。同时该电主轴还具有可靠性高、成本低廉的优点。
本发明的第二个目的在于提供一种应用上述电主轴的高速异步电机。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
一种基于液态金属冷却的电主轴，包括壳体、设置在壳体内的定子、转子、转轴以及用于对转轴进行冷却的冷却模块，其中，
所述转轴位于所述转子内，该转轴内设置有冷却循环通道，所述冷却循环通道沿着所述转轴的轴线方向延伸，该冷却循环通道内装有液态金属；
所述冷却模块包括设置在所述转轴上的导体以及永磁铁组，其中，所述导体至少为两组，且对称设置在所述转轴的径向方向的两侧，每组导体沿着所述转轴的轴线方向延伸，且该导体的两端分别伸入到所述冷却循环通道的两侧；所述永磁铁组为两组，两组永磁铁组分别位于所述导体的轴线方向的两侧；其中，每组永磁铁组中的N极和S极设置在所述转轴的径向方向的两侧；且两组永磁铁组中的N极和S极的设置位置相反；
所述冷却模块还包括设置在所述壳体中的冷却室，所述转轴的其中一端位于所述冷却室中，所述壳体上设置有与所述冷却室连通的冷却液进口和冷却液出口。
本发明的基于液态金属冷却的电主轴的工作原理是：
工作时，将壳体中的冷却液进口和冷却液出口分别与对应管道连通，通过冷却液供给装置向所述冷却室中通入冷却液。在转轴转动的过程中，由于异步电机转差率的存在，电机转轴与电机定子的磁场之间存在转速差，使得安装在转轴上的导体不断切割电机定子形成的磁场并在导体内产生感应电流；产生的感应电流通过导体流经冷切循环通道内，而位于冷却循环通道内的液态金属在所述转轴两侧的永磁铁组的磁场范围内会受到安培力的作用。由于两组导体对称布置，在转轴转动的过程中，两组导体相对于电机定子的磁场的运动方向相反，因此两组导体中产生的感应电流的方向相反，而且由于转轴两侧的永磁铁组的N极和S极的布置位置也相反，因而两组永磁铁组产生的磁场方向也相反，因此在两组永磁铁组的磁场范围内的液态金属受到的安培力相同，在相同的安培力的作用下，所述液态金属沿着同一方向在冷却循环通道内循环流动；当所述液体金属流动到位于冷却室的转轴端部时，所述液态金属与所述冷却室中的冷却液进行热交换，从而实现对转轴内部进行降温；而冷却室内完成热交换的冷却液则通过冷却液出口导出。
优选的，所述冷却循环通道包括中心流道以及多根外侧流道，其中，所述中心流道的轴线方向与所述转轴的轴线方向重合；所述导体的两端分别径向延伸至所述中心流道内；多根外侧流道沿着所述转轴的圆周方向均匀排布；每根外侧流道均沿着所述转轴的轴线方向延伸，且每根外侧流道的两端均分别通过径向流道与所述中心流道的两端连通。
优选的，所述外侧流道为四条，相邻两条外侧流道之间的夹角为90度。
优选的，所述导体为导线。
优选的，所述转轴两端分别通过前轴承组件和后轴承组件固定，所述前轴承组件和后轴承组件安装在所述壳体内，所述后轴承组件与所述壳体的后端盖共同构成所述冷却室。
优选的，所述转轴上设置有用于安装所述永磁铁组的N极和S极的安装槽。
优选的，所述转轴上设置有用于安装所述导体的凹槽，所述凹槽的两端分别通过径向通道与所述中心流道连通。
一种高速异步电机，包括所述的基于液态金属冷却的电主轴。
本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：
1、本发明的基于液态金属冷却的电主轴通过在内部设置冷却循环流道以及在冷却循环流道中放置液态金属；在转轴转动的过程中，转轴两侧的两组导体相对于电机定子的磁场的运动方向相反，使之产生相反的感应电流，而且由于转轴两侧的永磁铁组的N极和S极的布置位置也相反，因而两组永磁铁组产生的磁场方向也相反，因此在两组永磁铁组的磁场范围内的液态金属受到的安培力相同，在相同的安培力的作用下，所述液态金属沿着同一方向在冷却循环通道内循环流动；当所述液体金属流动到位于冷却室的转轴端部时，所述液态金属与所述冷却室中的冷却液进行热交换，而冷却室内完成热交换的冷却液则通过冷却液出口导出。这样可以将电机转轴及轴承产生的热量快速传递至转轴端部，并在冷却室内由冷却液进行冷却作用，完成电主轴轴心热量的高效冷却过程。
2、本发明的基于液态金属冷却的电主轴利用电机定子磁场驱动液态金属在冷却循环通道内循环流动，不需要额外增设动力元件，并可利用液态金属远高于水的传热性能，实现电主轴轴心热量的快速导出，有效地控制电主轴轴心处的温升，减小热变形，提高加工精度。同时，本发明的电主轴还具有可靠性高、成本低廉的优点。
附图说明
图1为本发明的基于液态金属冷却的电主轴的结构示意图。
图2为所述转轴在A-A处的剖视图。
图3为本发明的基于液态金属冷却的电主轴中的磁场分布图。
图4为液态金属循环流动的原理图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
参见图1-图4，本发发明的基于液态金属冷却的电主轴包括壳体2、设置在壳体2内的定子3、转子4、转轴6、以及用于对转轴6进行冷却的冷却模块，其中，
所述转轴6内设置有“鼠笼状”的冷却循环通道，所述“鼠笼状”冷却循环通道沿着所述转轴6的轴线方向延伸，该冷却循环通道内装有液态金属，该冷却循环通道包括中心流道12以及多根外侧流道13，其中，所述中心流道12的轴线方向与所述转轴6的轴线方向重合；所述导线15的两端分别径向延伸至所述中心流道12内；多根外侧流道13沿着所述转轴6的圆周方向均匀排布；每根外侧流道13均沿着所述转轴6的轴线方向延伸，且每根外侧流道13的两端均分别通过径向流道11与所述中心流道12的两端连通；
而在本实施例中，所述外侧流道13为四条，相邻两条外侧流道13之间的夹角为90度；
所述冷却模块包括设置在所述转轴6上的导线15以及永磁铁组(14、16)，其中，
所述导线15至少为两组，且对称设置在所述转轴6的径向方向的两侧，每组导线15沿着所述转轴6的轴线方向延伸，且该导线15的两端分别伸入到所述冷却循环通道的两侧；所述转轴6上设置有用于安装所述导线15的凹槽，所述凹槽的两端分别通过径向通道与所述中心流道12连通；
所述永磁铁组(14、16)为两组，两组永磁铁组(14、16)分别位于所述导线15的轴线方向的两侧；其中，每组永磁铁组(14或16)中的N极和S极设置在所述转轴6的径向方向的两侧；所述转轴6上设置有用于安装所述永磁铁组(14、16)的N极和S极的安装槽；两组永磁铁组(14、16)中的N极和S极的设置位置相反；即永磁铁组14和永磁铁组16的磁场方向相反；
所述冷却模块还包括设置在所述壳体2中的冷却室9，所述转轴6的其中一端位于所述冷却室9中，所述壳体2上设置有与所述冷却室9连通的冷却液进口7和冷却液出口10。
参见图1-图4，所述转轴6两端分别通过前轴承组件1和后轴承组件5固定，所述前轴承组件1和后轴承组件5安装在所述壳体2内，所述后轴承组件5与所述壳体2的后端盖8共同构成所述冷却室9。
参见图1-图4，本发明的基于液态金属冷却的电主轴的工作原理是：
在图4中，左右两个虚框中的B代表永磁铁组(14、16)的磁场方向，中间的虚框中的B代表电机定子3的磁场方向；i则代表导线15的电流方向，v代表导线15的运动方向，则F则代表安培力的方向。
工作时，将壳体2中的冷却液进口7和冷却液出口10分别与对应管道连通，通过冷却液供给装置向所述冷却室9中通入冷却液。在转轴6转动的过程中，由于异步电机转差率的存在，电机转轴6与电机定子3的磁场之间存在转速差，使得安装在转轴6上的导线15不断切割电机定子3形成的磁场并在导线15内产生感应电流；产生的感应电流通过导线15流经中心流道12内，而位于中心流道12内的液态金属在所述转轴6两侧的永磁铁组(14、16)的磁场范围内会受到安培力的作用。由于两组导线15对称布置，在转轴6转动的过程中，两组导线15相对于电机定子3的磁场的运动方向相反，因此两组导线15中产生的感应电流方向相反，而且由于转轴6两侧的永磁铁组(14、16)的N极和S极的布置位置也相反，因而两组永磁铁组(14、16)产生的磁场方向也相反，因此在两组永磁铁组(14、16)的磁场范围内的液态金属受到的安培力相同，在相同的安培力的作用下，共同驱动中心流道12内的液态金属在由中心流道12、径向流道11与外侧流道13形成的“鼠笼状”回路中循环流动，进而将电机转轴6及轴承产生的热量快速传递至转轴6端部，并在冷却室9内由冷却液进行冷却作用，完成电主轴轴心热量的高效冷却过程。完成热交换后，冷却室9内完成热交换的冷却液则通过冷却液出口10导出。
实施例2
本发明的高速异步电机，包括所述的基于液态金属冷却的电主轴。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、块合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。