永磁同步電主軸熱態特性分析

伴隨著數控機床技術的高速發展，對電主軸的永磁同步技術要求越來越高。雖然PMSM主軸以其高功率、高效率等優點日益得到人們的重視，但其發熱所帶來的熱變形問題仍制約著精密機床精度的提高。為此，本論文通過對永磁同步電主軸的加熱傳熱規律及影響因素的分析，利用有限元軟件模擬和實驗相結合的方法，對永磁同步電主軸系統的熱態特性進行了研究，主要工作如下：分析了永磁同步電主軸系統的結構特點、傳熱機理、散熱機理。

根據現代傳熱學理論，建立了永磁同步電主軸的溫度場數學模型，給出了其定解條件；用有限元方法求解熱傳導微分方程；用變分法從理論上推導出主軸的溫度場。本文從理論上分析了永磁同步電主軸內的永磁電機和軸承產生的熱量，并定量計算了主軸內的軸承和電機產生的熱量。

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

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

在現有溫度場試驗條件下，反演了不同轉速下主軸起動階段的軸承生熱，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-結構耦合有限元分析，探討了由其內部熱荷載引起的熱變形及熱應力對結構與變形的影響。