永磁同步电主轴热态特性分析

伴随着数控机床技术的高速发展，对电主轴的永磁同步技术要求越来越高。虽然PMSM主轴以其高功率、高效率等优点日益得到人们的重视，但其发热所带来的热变形问题仍制约着精密机床精度的提高。为此，本论文通过对永磁同步电主轴的加热传热规律及影响因素的分析，利用有限元软件模拟和实验相结合的方法，对永磁同步电主轴系统的热态特性进行了研究，主要工作如下：分析了永磁同步电主轴系统的结构特点、传热机理、散热机理。

根据现代传热学理论，建立了永磁同步电主轴的温度场数学模型，给出了其定解条件；用有限元方法求解热传导微分方程；用变分法从理论上推导出主轴的温度场。本文从理论上分析了永磁同步电主轴内的永磁电机和轴承产生的热量，并定量计算了主轴内的轴承和电机产生的热量。

针对主轴的传热特性，分析了其关键部件的热边界条件，包括螺旋管内冷却液换热系数与流量的关系、其他主要传热边界对流换热系数与转速的关系。通过建立永磁同步电主轴温度场有限元分析模型，对其温度场进行有限元分析，研究其关键部件在起动、稳定工作阶段及不同转速下的温升规律。

利用结合共轭梯度法和ANSYS软件建立的主轴有限元热分析模型，结合传热理论，建立了永磁同步电主轴轴承热源的反演模型。建立了PMSM主轴温度场实验平台，对PMSM有限元热分析模型的可靠性进行了验证。

在现有温度场试验条件下，反演了不同转速下主轴起动阶段的轴承生热，建立了永磁同步电主轴的有限元热分析修正模型，验证了修正后分析模型的正确性。通过对永磁同步电轴的温度-结构耦合有限元分析，探讨了由其内部热荷载引起的热变形及热应力对结构与变形的影响。