摘 要

随着技术的迅速发展，电主轴成为了高速数控机床主传动系统中机械结构主要的采用形式。因此，本文将设计一台额定功率、额定转速主轴电机用于高速磨床大的使用，并学习以及研究主轴电机的电磁参数设计的方法、发热原理以及热传递机制。同时本设计采用了有限元分析的方法，对设计出的电机进行二维瞬态电磁场和三维温度场仿真分析。本文主要进行了以下几个方面的研究：

1. 以额定功率、额定转速为主轴电机设计的主要参数进行设计，设计包含了对电机主要尺寸、电磁负荷、定子及转子槽型大小等一系列主要电磁参数的选取和计算；之后用Ansys建立二维瞬态电磁场模型进行了有限元单仿真，并对结果进行了分析。
2. 通过对电机电磁损耗分析，我对定子和转子铁芯中的基本铁耗、电气损耗、点击负载时的附加损耗以及机械损耗进行了计算。

3、基于传热学中的热传递原理，我建立了主轴电机的热传递模型示意图，并用Ansys建立了电机的三维模型来进行温度场仿真分析，获取了电机和主轴关键部分温度场分布和温升曲线并此进行了分析。

关键词：高速电主轴电机；电磁设计；热传递模型；有限元仿真

Abstract

With the rapid development of technology, the electric spindle has become the main form of mechanical structure in the main drive system of high-speed CNC machine tools.Therefore, this article will design a spindle motor with a rated power of and a rated speed of for the use of high-speed grinding machines, and learn and study the method of electromagnetic parameter design, heating principle and heat transfer mechanism of the spindle motor. At the same time, this design adopts the method of finite element analysis to simulate and analyze the two-dimensional transient electromagnetic field and three-dimensional temperature field of the designed motor. This article mainly carried out the following aspects of research:

1. The design is based on the main parameters of the spindle motor design with rated power and rated speed . The design includes the selection and calculation of a series of main electromagnetic parameters such as the main size of the motor, electromagnetic load, stator and rotor slot size; and I used Ansys established a two-dimensional transient electromagnetic field model and conducted a finite element single simulation, and analyzed the results.
2. By analyzing the electromagnetic loss of the motor, I calculated the basic iron loss, electrical loss, additional loss when the load is clicked, and mechanical loss in the stator and rotor cores.

3. Based on the principle of heat transfer in heat transfer, I established a schematic diagram of the heat transfer model of the spindle motor, and used Ansys to establish a three-dimensional model of the motor for temperature field simulation analysis, and obtained the temperature field distribution and temperature The rising curve was analyzed.

Key Words:High-speed electric spindle motor; Electromagnetic design; Heat transfer model; Finite element simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2电主轴的国内外研究现状 1

1.2.1热问题研究现状 1

1.2.2结构研究现状 2

1.3小结 3

第2章 电主轴总体结构设计 4

2.1 主要技术指标 4

2.2 电主轴的整体布局设计 4

2.3 电机的主轴结构设计 4

2.3.1主轴轴径的确定 4

2.3.2主轴前段悬伸量 6

2.3.3主轴支撑跨度 6

2.3.4轴的强度校核 6

2.3.5主轴临界转速的校核 8

2.4轴承的选择 9

2.4.1轴承类型的选择 9

2.4.2轴承的安装方式 9

2.4.3轴承的预紧 10

2.4.4轴承的润滑 11

2.5 小结 11

第3章 电主轴的参数 12

3.1 电机的参数设计 12

3.1.1 电机的基本参数设定 12

3.1.2 高速异步电机设计算例 15

3.1.3 电机的磁路计算 17

3.2 电机的有限元仿真 20

3.3 电主轴的损耗与效率 22

3.3.1 基本铁耗的计算 23

3.3.2 电气损耗的计算 23

3.3.3 负载时的附加损耗的计算 24

3.3.4 机械损耗及电机效率的计算 24

3.4 小结 25

第4章 电主轴热分析 26

4.1 传热的基本概念 26

4.2 高速电主轴系统传热路径分析 26

4.3 主轴电机热传递模型的建立 27

4.4 电机的Icepak热分析 28

4.5 小结 31

第5章 结论与展望 32

5.1总结 32

5.2展望 32

参考文献 33

致谢 35

第1章 绪论

1.1研究背景

高速加工是一种有前景的技术，可以大大提高生产率并降低生产成本，但高速加工技术仍是相对较新的技术。虽然在1930年就有高速金属切削的理论报道，可是在20世纪80年代前能够实现这些切割速度的机床并不存在。直到最近，工业界才开始尝试在生产中使用高速加工，其中飞机工业是第一个使用的，随后是汽车工业和模具制造商。

由于在这个新领域的经验很少，因此在高速加工的应用中仍然需要解决许多问题。高速电主轴模型如图1.1所示，当前存在的问题包括工具、平衡、热性能和动态特性以及机床可靠性的问题。高速加工通常与高进给率相关，这需要快速加速和减速从而导致切削条件发生急剧变化。在航空航天工业中，使用长工具产生深的凹坑和薄的横截面也使问题复杂化。高速电主轴技术的发展对于实现高速加工至关重要。