高速電主軸冷卻技術研究及應用探討

摘要：針對高速電主軸高速化和結構集成化帶來的溫升控制等技術難題，對高速電主軸現有冷卻技術成果進行系統分析和深入總結，主要從熱源、傳熱機理以及內部生熱影響等方面對高速電主軸進行熱特性分析;對高速電主軸關鍵部件的冷卻技術進行闡述，基于被動冷卻和主動冷卻兩種冷卻方式，從電機、軸承、主軸方面深入分析和評述不同冷卻方式在高速電主軸冷卻技術中的方法、原理、優缺點以及應用;對當前更經濟有效的冷卻技術應用于工程實踐以克服未來挑戰的問題進行討論，并對未來的發展趨勢進行展望。

關鍵詞：高速電主軸;溫升控制;被動冷卻;主動冷卻;冷卻技術

DOI：10.15938/j.jhust.2022.03.001

中圖分類號： TG659文獻標志碼： A文章編號： 1007-2683（2022）03-0001-12Study and Application of Cooling Technology

for High Speed Motorized Spindle

CHENG Yao-nan，ZHANG Xian-peng，ZHANG Guang-xin，JIANG Wen-qi，LI Bao-wei

（School of Mechanical Power Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080）

Abstract：For the high-speed motorized spindle high-speed and structural integration of the temperature rise control and other technical problems， the existing cooling technology achievements of high-speed motorized spindles are systematically analyzed and summarized in depth. The thermal characteristics of high-speed motorized spindles are mainly analyzed in terms of the heat sources， heat transfer mechanisms， and internal heat generation effects. The cooling technology of the main components of the high-speed motorized spindle is explained. Based on passive cooling and active cooling， the methods， principles， advantages and disadvantages and applications of different cooling methods in the high-speed motorized spindle cooling technology are analyzed and reviewed from the aspects of motor， bearing and spindle. This paper explores the more cost-effective and efficient cooling technologies currently used in engineering practice to address potential challenges and predicts future trends in growth.

Keywords：high speed motorized spindle; temperature control; passive cooling; active cooling; cooling technology

0引言

機床行業帶動了高速電機的發展，傳統的低成本高速主軸采用皮帶傳動形式，其最大速度受到限制。隨著對電主軸更高轉速、速度控制、低振動水平和高功率的性能需求增加，促使在主軸應用中采用高速電機。高速電主軸作為精密加工機床的核心功能部件，通過將電機與主軸相配合，并安裝于電機套筒內，優化傳動方式，提高工作效率[1-3]。高速電主軸應用的功率和速度范圍非常廣泛，從9000到180000r/min不等，相應的功率水平大約從24到1kW不等[4]。傳統電主軸傳動方式復雜、效率低，高速電主軸則省去了帶傳動方式，減小噪聲，調速范圍得到提升，從而顯著提高工件的加工精度和表面質量，同時具有快速起動和準停的特點，提高了加工效率。由于對工件精度的要求越來越高，未來的工業發展和研究將使電主軸加工精度進一步提高。

然而，高速電主軸加工過程中產生的熱量會影響加工精度，造成許多不良影響，這些影響最終會導致加工誤差甚至機器故障[5]。在實際加工過程中，高速電主軸內部主要有兩個熱源：電機損耗生熱和軸承摩擦生熱[6]。為了抵消這些影響，使得高速電主軸可以更好地散熱，并且在工作中得到較高的加工精度，著力研究開發高速電主軸的冷卻技術是十分必要的[7]。由于電機在主軸領域發展的新趨勢，如增加主軸功率和轉速等，對冷卻系統的要求也正在改變，因此冷卻技術長期以來都是高速電主軸技術中的研究熱點。

本文結合工業加工需求，從高速電主軸的主要熱源、傳熱機理以及內部生熱影響等方面，對高速電主軸進行熱特性分析;基于被動冷卻和主動冷卻兩種冷卻方式，從電機、軸承和主軸冷卻技術方面進行闡述，根據高速電主軸在技術和經濟方面的應用現狀，對冷卻技術進行討論;對當前高速電主軸更經濟有效的冷卻技術應用于工程實踐的問題以及發展趨勢與前景進行探討。

1高速電主軸的熱特性分析

1.1高速電主軸的主要熱源

高速電主軸結構剖面圖如圖1所示。在運行過程中，其主要熱源分為外部熱源和內部熱源[8]。其中，外部熱源包括機床與其他零部件之間的熱輻射，以及外部環境的影響。內部熱源主要包括電主軸在高速運轉下電機和軸承產生的熱量，其中電機損耗分為機械損耗、電損耗、磁損耗和附加損耗[9]。機械損耗為主要損耗形式，一般是由于軸承的摩擦熱和刀具與工件之間產生的切削熱所導致。電機高速工作過程中，電機轉子產生近1/3的熱量，其中大部分熱量傳遞給定子，少部分熱量傳遞給主軸，其余2/3的熱量產生于定子[10]。

1.2高速電主軸的傳熱機理

根據高速電主軸的結構以及冷卻潤滑原理，結合熱力學的熱量傳遞方式，分析高速電主軸內部傳熱情況，根據熱對流、熱傳導與熱輻射3種傳熱方式，具體傳熱分析如下[11]：

1）軸承發熱：熱量主要以熱傳導方式分別傳遞給主軸和主軸外殼，再以熱對流的形式散熱;其余熱量由冷卻系統帶走。

2）定子發熱：一部分熱量以熱對流形式通過冷卻液散去;另一部分則以熱傳導和熱輻射形式將熱量傳遞給定子周圍的空氣。

3）轉子發熱：主要通過熱傳導給主軸，然后傳遞給主軸外殼散去熱量，部分熱量傳遞給轉子周圍的空氣。

4）電主軸殼體通過輻射熱與熱對流將熱量傳遞到空氣中，主軸在高速旋轉過程中，通過熱輻射和熱對流與空氣之間進行熱傳遞完成散熱。

研究高速電主軸主要熱源的傳熱情況，主要是為了進行內部的熱情況分析，即軸承、電機與主軸殼體散熱情況，有利于進一步了解高速電主軸熱特性以及內部生熱影響，對于分析高速電主軸部件是否需要額外冷卻結構具有重要意義，為高速電主軸部件的冷卻提供基礎。

1.3高速電主軸內部生熱影響

高速電主軸內部生熱影響有：主軸的熱變形對工件產生幾何誤差;軸承預緊力的變化令工作過程不穩定，從而導致工件表面缺陷;磁通密度降低而使電機功率降低;絕緣材料老化更快，導致電機壽命縮短;達到熱穩定狀態的時間延長而增加了非生產時間;摩擦令軸承磨損增加，軸承壽命減少。軸與軸承系統的熱機械性會顯著影響刀具與工件之間的相對運動精度，因此電機主軸是加工誤差的主要來源[12]。因為機床系統之間存在相互作用，所以主軸系統不能被描述為兩個互不影響的熱力和機械系統，只有同時分析內部熱和機械性能，才能得到充分的加工結果。當單獨考慮主軸系統時，不能忽略機床的熱、機械和幾何誤差之間的相互作用。加工精度會因溫度升高而受到熱變形的影響，因此，為了降低主軸系統的溫度，對主軸系統的熱源進行分析，有利于開展高速電主軸冷卻技術的研究。

2高速電主軸關鍵部件冷卻技術

高速電主軸裝有大功率電機，會產生大量熱，所以在大多數應用中，主軸殼體是由一個封閉的冷卻回路構成，通過液體冷卻介質流動達到冷卻效果[13]。目前有大量的冷卻方式可以減少熱負荷所帶來的不良影響，下面提供了近年來高速電主軸在冷卻技術發展方面的概述，對電機、軸承和軸冷卻進行了區分。值得注意的是，由于主軸部件之間的熱耦合作用，一個部件局部溫度的變化也不可避免地會影響其他部件的溫度場。

2.1電機冷卻

電機的高速運轉使電主軸的功率和損耗較大，導致溫升增加，設計冷卻系統可以降低電機溫度，提高電機性能[14-15]。現有的冷卻主軸電機的技術在其操作原理上有很大的不同，本節對電機冷卻的被動方法和主動方法進行了區分：被動方法是指被冷卻的物體不被外部應用的冷卻介質直接冷卻的方法;主動方法是指直接應用冷卻介質，從而達到目標溫度相應降低的效果。

1）被動冷卻

電機冷卻可以采用被動措施實現，特別是對于具有低轉矩和低軸承摩擦損失的小型電機（例如磨削主軸）。在這種情況下，對流對周圍空氣的影響往往足以達到充分的冷卻效果。冷卻效果可以通過增加主軸殼體的表面積或在殼體上增加層板結構來增強[16]。焦宇琳等[8]設計了新的電主軸層板結構冷卻水套，通過與螺旋水套對比，發現層板結構的電主軸冷卻效果好，而且更加節省冷卻劑的使用量。但這種方法因空氣的換熱能力較低，所以可實現的溫度降低很小[17]。Koreta等[18]提出了一種利用電熱換能器對電機采取被動冷卻的方法。由于繞組端部的高熱負荷，常在電機設計階段通過優化繞組截面和繞組數來減少繞組損耗達到降低負荷的目的。此外，通過使用帶有導熱填料和高介電強度的鑄造化合物（如氮化鋁粉末）也可以提高電機的傳熱。Kim等[19]提出了一種空心定子結構的電機，并在其中填入導熱材料，防止定子鐵芯中的磁場密度飽和，減輕了電機重量，提高了電機的散熱性能。

另一種被動方法是利用熱管冷卻電機。Groover等[20]發明了一種高效傳熱元件即熱管，熱管以其傳熱能力大、等溫性好、結構簡單等優異性能引起了世界各國學者的關注。熱管是含有一定量液體冷卻介質的真空管，這些液體在管道較熱的一端蒸發，然后在較冷的一端凝結。因此，熱量從蒸發區被帶走，冷凝后的液體通過重力、管道或離心力返回到溫度較高的位置[21]。由于電主軸的密封問題，特別是在高速旋轉時，必須設計復雜和昂貴的結構冷卻電機，而與幾何形狀相似的金屬導體相比，熱管的導熱系數可以高出幾倍，所以建議采用熱管對高性能電動機的轉子和定子進行冷卻作為替代方案。熱管的使用解決了密封問題，將散失的熱量采取低成本的措施轉移到水或空氣散熱器中。Judd等[22]通過實驗證明了安裝熱管可以有效降低溫度。Groll等[23]對轉子中28個熱管以及定子中36個熱管分析，發現熱管傳遞的熱量會通過風冷裝置對流散失，與同一風冷電機相比，繞組溫度可由90℃降至40℃。Aboutalebi等[24]利用一種旋轉閉環的熱管，并將填充比設置為50%，提升了熱管的傳熱性能。Putra等[25]提出了一種嵌入在定子中的8個L形熱管來冷卻傳統電機的方法。然而，用熱管冷卻機床主軸定子的相關技術仍研究較少，造成這種情況的一個原因是傳統的電動機經常是獨立使用，用現有的輔助冷卻裝置冷卻主軸一般可以比較簡單和有效地實現。

被動方法通常具有較低的操作和維護成本，不需要額外的能源或資源，也不需要額外空間集成這些技術。被動冷卻的主要缺點是冷卻效果相對較低，冷卻性能的可調節性有限。由于可以散發的熱量很少，有效的冷卻措施必須適用于高熱負荷的發熱主軸。

2）主動冷卻

在主動冷卻中，冷卻水的使用非常廣泛，空氣和油也常被用作冷卻液體[26]。目前電機冷卻方式主要分為風冷、油冷和水冷，由于水冷卻具有較高的比熱容，水的熱容量也顯著高于空氣和冷卻油，所以水冷卻通常更有效[27-29]。

風冷式冷卻通常用于微型小主軸，或者在熱損失很低的情況下使用[26]，因其設計相對簡單，且易于維護，對于高成本的應用是一個很好的選擇。風冷式冷卻系統的一個優點是對周邊設備（例如冷卻裝置）的空間要求低。Link等[30]提出了通過水套冷卻電機主軸的方法，但由于散熱性能低，導致冷卻性能不理想[31]。在風冷式冷凝器中，冷凝器將空氣作為冷凝介質，利用風扇將空氣通過主軸殼體中的軸向管道從主軸后方輸送到前方[32]。如圖2所示，為風冷系統的示意圖。丁樹業等[33]通過減小徑向通風溝的軸向尺寸，有效提高了電機的冷卻效果。Colton等[34]將電機與冷卻系統的散熱器和風扇相配合，以此確定冷卻空氣路徑。Allison等[35]將風機和散熱器集成，并設計交錯葉輪，研究發現交錯葉輪較傳統獨立風扇傳熱效率高。Mcauliffe等[36]將電機冷卻入口與定子相連，殼體中設置的通風口與電機冷卻口為相同入口，通過此方法優化冷卻路徑，提升風冷系統利用率。張治平等[37]同樣采用交錯葉輪葉片的風冷式換熱器，設計了內外風冷的冷卻結構，進一步優化冷卻路徑。利用一個帶有集成風扇的非常規熱交換器的子組件散熱器，令對流換熱增強。與傳統方法相比，在熱交換器中直接集成葉輪葉片可提高冷卻性能。Alex等[38]在電主軸尾部安裝風扇葉片吹出冷卻空氣，實現電主軸殼體的冷卻。該風扇通過主軸殼體中的軸向管道將周圍空氣從主軸后輸送到主軸前，可以使主軸后方的溫度大大降低。Donmez等[39]利用Coanda效應，令主氣流沿著比其大很多（多達20倍）的二次流體流動，增加冷卻效果，這種方法可使熱伸長減少約30%。

針對以上涉及風扇葉型對冷卻效果影響研究較少的問題，Weng等[40]通過設置葉片為孔槽結構增大氣體流量，增加冷卻效果。黃棟等[41]研究了葉片數量和型式對冷卻效果的影響。研究結果表明，通過改變葉型為徑向式葉型可產生更大的風壓，提高冷卻效果。但由于湍流氣流的存在，這種方法會增加聲污染。

水冷式冷凝器以水為冷凝介質，用泵將水通過冷凝介質排出，再將熱量排到外界中。水冷式冷水機組需要水處理裝置，以避免污染。Hong等[42]和Aglen等[43]分別在10kW、30000r/min和110kW、70000r/min的電機中采用了機殼水冷的冷卻結構，以此保持繞組和磁鐵低溫[32]。Meyer等[31]和Steichen等[44]針對永磁同步電動機，研究了基于液體的冷卻方法。雖然冷卻繞組在冷卻方面體現了高潛力，但這種冷卻系統的設計和相關的額外成本很高，機床仍廣泛應用帶循環液體的閉式冷卻電路作為主軸電機的主動冷卻方式。水套冷卻系統的設計和制造相對簡單，定子可以通過水套從外部進行冷卻，由于直接接近定子，熱量可以充分散發。

冷卻效果除與流體的化學或物理特性以及流速有關，還取決于冷卻通道的幾何特性，流動截面的高度、寬度和曲率同樣有影響，從冷卻通道壁面到流體的傳熱也受到表面特性的影響[26]。冷卻通道的幾何特性具有較大的優化潛力，相關方面的研究已經展開，這些研究努力通過優化冷卻通道的宏觀和微觀幾何特性來提高冷卻效率。螺旋冷卻通道和循環冷卻通道是常見的兩種冷卻通道，如圖3所示。張鳳閣等[45]采用水冷替代風冷系統，驗證了螺旋冷卻的有效性。作者所在團隊[46]對螺旋冷卻通道和循環冷卻通道進行有限元分析比較，如圖4所示。

研究結果表明，循環冷卻通道的溫度梯度較小，兩端冷卻能力較中間部分強;螺旋冷卻通道的整體冷卻效果較好，溫度在周向分布上較為均勻，但是在軸向上，主軸前后兩端的溫度梯度較大，此研究對于冷卻通道的優選具有一定的意義。

Huang等[47]對高速電主軸的冷卻通道進行研究，結果表明，單螺旋或雙螺旋冷卻通道的冷卻效果較原來的往復冷卻通道差。這是因為往復冷卻通道的設計允許冷卻回路中的冷卻劑分階段地散熱[48]。Xia等[49]基于分形理論，設計了一種新型的分形樹狀通道網絡散熱器代替冷卻套內傳統的螺旋冷卻通道，獲得了更好的散熱效果。Li等[50]采用了前軸承并聯式冷卻通道和電機螺旋式冷卻通道。Zhang等[51]研究了螺旋冷卻通道的熱特性，并對U型冷卻通道進行了設計和優化，結果表明U型冷卻通道的冷卻效果較好。Lee等[52]采用了強制冷卻方法的電機冷卻系統，在殼體處設置冷卻通道，并在轉子處設置空心軸用于轉子冷卻，冷卻性能得到有效提升。通過優化冷卻通道的設計，在提高主軸冷卻效率的同時，可以有效地減少主軸的熱變形和預熱時間，提高加工精度，該方法是提高機床精度的有效方法。Weber等[53]對冷卻通道表面粗糙度的影響進行研究。當冷卻通道粗糙度為100μm而不是光滑壁面時，傳熱系數增加1倍以上，說明增大表面粗糙度對流體的傳熱優化提供了很大的潛力。Chen等[54]研究了流速對冷卻的影響，發現電主軸溫度隨流速的增大而降低，當冷卻水速度提高到1.5m/s時，電主軸溫度得到了有效的控制，隨著流速的增大，電主軸溫度達到穩定狀態。

主動冷卻往往需要聚集更大的能量，這也可能意味著更高的采購和維護費用以及額外的空間需求，此外還需要進行額外的設計修改，例如冷卻通道的集成等。然而，主動冷卻因其優越的冷卻性能成為主軸電機最常見的散熱方法。

2.2軸承冷卻

軸承作為電主軸系統中核心部件之一，對電主軸的轉速有顯著影響。軸承在工作過程中產生的摩擦熱是電主軸的主要熱源，軸承內部轉速、動載荷和軸承潤滑系統都會對軸承熱量產生影響。摩擦熱通過傳熱到內圈、滾珠、外圈、主軸和冷卻通道的殼體，使主軸系統達到相應的溫度分布[55]。主軸軸承產生的摩擦熱會引起主軸部件的熱膨脹，而主軸部件膨脹的不一致性會引起主軸軸承接觸應力的變化，增加主軸軸承的摩擦發熱，如果主軸軸承不能達到穩態熱平衡，就會出現熱失效[56]。軸承是否需要特別冷卻，取決于主軸的具體應用要求，如果溫度上升，主軸功能足夠完成散熱，可以不進行冷卻。在這種情況下，根據高速電主軸傳熱機理，可以通過熱耦合部件或熱對流進行熱傳導。此外，軸承在旋轉過程中還會通過對流產生自冷效應，在軸承高速旋轉時，這種效果尤其明顯[13]，既減少了額外的冷卻結構，又降低了主軸制造成本。軸承可以通過熱屏蔽或迷宮式密封被動地免受電機的熱影響，如圖5所示。在某些情況下，隔熱罩還附加有冷卻通道，由于軸承內圈是通過主軸間接地與電機耦合在一起的，所以這些措施不能提供完全的熱保護。

潤滑劑的主要作用是在軸承和軌道之間形成流體膜，以及在接觸區形成保持架，從而防止金屬間的直接接觸以及引起軸承磨損和腐蝕。同時，潤滑液的流動也可以帶走熱量，因此潤滑液也是一種冷卻介質。Litwin等[57]通過實驗驗證了水潤滑軸承可以有效帶走摩擦所產生的熱量。Nakao等[58]研究了水潤滑液對軸承的影響，研究表明水潤滑冷卻效率可達80%以上。調整潤滑參數也是降低軸承溫度的有效辦法，Wu等[55]詳細分析了冷卻油溫度、冷卻油流量和冷卻通道特性以及尺寸對保持主軸溫度梯度的影響。結果表明，通過優化油冷系統的工藝參數，可以有效地控制主軸系統的溫度梯度。

對于高速旋轉的主軸，常采用油-氣潤滑系統[59]。油-氣潤滑系統工作原理是電主軸在高速運轉時，空氣通過氣泵進入空氣壓縮機，并進行冷卻干燥處理。同時，油滴會在壓力作用下通過噴嘴進入軸承，在軸承內外圈形成油膜，保護軸承。另一方面，軸承熱量也會被壓縮空氣帶走，起到冷卻的作用。當油量不足時，軸承的潤滑不足，從而導致軸承溫度過高，隨著油量的增加，會使功率損失和溫度下降，直到達到最小值，為軸承提供了最佳潤滑，并減少摩擦和熱量，延長軸承的使用壽命。Wu等[60]和Li等[61]研究了潤滑參數對高速軸承溫度的影響。在這些研究中表明，每個潤滑循環油體積是影響溫升的最大因素，其次是每個潤滑循環的間隔時間，氣壓和潤滑油粘度，誤差和其他因素的影響約為15%。Zhang等[62]設置主軸轉速為3000r/min，通過將壓力從0.29MPa增加到0.41MPa，發現溫升減小并趨于穩定。將潤滑間隔從0.2s增加到90s，也能取得相似的定量效果。Jiang等[63]研究發現噴嘴的幾何參數是影響軸承溫升的一個重要因素，應設置合理的軸承球面與噴嘴出口之間的距離、長度與外徑比，以及出口數量等。因為沒有額外的設備和維護成本，通過潤滑參數的優化降低軸承溫度的方法在經濟上是可行的，但是可以達到的冷卻效果相對較低。主動冷卻軸承的一種常用方法是通過冷卻主軸實現間接冷卻，也可以通過軸承內圈直接冷卻軸承，這一技術的缺點是對空氣的需求量增加并引起噪聲增大，此外必須確保空氣清潔，以防止污染軸承。

一般來說，通過氣流冷卻高速旋轉部件的效果是有限的。隨著旋轉表面與周圍空氣相對速度的增大，旋轉表面邊界層內空氣顆粒的沖力增大，造成對準旋轉表面的空氣射流發生了切向偏轉，因此冷卻效果隨轉速的增加而減小[64]。

2.3主軸冷卻

主軸旋轉速度的升高會導致高速電主軸內部溫度的升高，產生各種不利影響。在高速電主軸封閉的布置中，預緊力也會產生變化，隨著軸承預緊力增大，滾珠與內外滾道接觸應力變大，摩擦阻力也變大，進而導致發熱量增加，軸承溫升也逐漸增大。對于較低預緊力條件下，主軸的高速運轉使滾珠與內外滾道的滑移運動產生的發熱量升高，進而溫升增大，而在電主軸正常工作條件下，由于強制冷卻水的作用，此規律在低預緊力狀態下并不明顯[65]。預緊力通常隨內環和軸的溫度上升而增加，這種預緊力的變化必須在主軸的設計階段就考慮進去，為此需令初始軸承預緊力降低，使其在最大熱載荷和機械載荷下達到一定的預緊力極限。主軸冷卻是提高主軸性能的有效措施，通過冷卻主軸或軸承內圈，并用一個較高的初始軸承預緊力，也可能達到一個更高的最大速度與相同或甚至更高的初始軸承預緊力。

熱管作為一種對旋轉軸進行冷卻的被動方法被廣泛應用。Hassett等[66]發明了一種使用直線熱管的電機冷卻方法。Fedoseyev等[67]提出了一項關于使用直管散熱的電機冷卻發明，此方法直接將熱管插入主軸中間。Ponnappan等[68]研究在冷凝器周圍增加一個噴霧室。Dong等[69]將一系列直徑相對較小的熱管布置在主軸周圍。Judd等[22]研究在機床主軸中心使用熱管冷卻軸承，熱管的冷凝區用冰和水進行冷卻，溫度降低了50%左右。

圖6、圖7和圖8分別為3種常用的熱管冷卻示意圖。如圖8所示，噴淋室與電機外殼集成，液體冷卻劑進入噴霧室，通過噴嘴噴射到冷凝器部分，直接對軸冷卻。這些軸冷卻系統主要是在20世紀70年代和80年代開發或構思出來的，后來被應用在電機主軸上。

為了冷卻電機轉子，可通過將冷卻劑與主軸相關聯，直接冷卻主軸。熱虹吸管具有可以在封閉空間內無外部動力的情況下直接冷卻電主軸的優勢，其工作原理是液體在管道蒸發段吸收熱量形成蒸汽，蒸發段壓力增大驅動蒸汽流向冷凝段，通過冷卻劑轉變成低溫液體，由于壓力差流回蒸發段，再次吸收熱量，以此循環傳熱，提高效率，并且具有高可靠性[70]。康躍然等[70]和Holkup等[71]雖然在這方面已經取得了一些進展，但在嘗試實現軸的冷卻結構時，出現了一些問題，如對高壓動態密封的要求較高，輸出功率降低和復雜的冷卻系統等。由于其作為高效傳熱元件的能力，兩相環熱虹吸管（TPLT）在電主軸的軸冷卻方面顯示出其潛力。Tong等[72-73]設計了一種基于雙蒸發器R744的環形熱虹吸管，用于數據中心空調系統。Huang等[74]實驗研究了非冷凝氣體對蓄熱式換熱器重力循環熱虹吸啟動時間的影響，并發現當非冷凝氣體的含量是30%時，啟動時間為在真空中的2.8倍。當使用回路熱循環冷卻軸時，由于軸的導熱性，同一管道被加熱和冷卻，抑制了兩相單向循環流動，導致傳熱性能較差。Li等[75-76]在主軸中制造由環形通道和徑向孔相互連接的直孔腔，并在空腔中填入液體，然后再排出，即蒸發段和冷凝段在同一管道上。Li等[77]又提出一種基于兩相環式熱虹吸的電主軸冷卻新方法，將蒸發段與冷凝段設置在同一管道上。以上研究表明TPLTS在軸冷卻方面具有良好的應用前景。

雖然通過引入熱管可以顯著降低熱負荷，但是裝配熱管需要昂貴的深孔加工技術，且在電主軸內部難以維護修理，導致成本增加。由于熱管的結構尺寸小，冷卻效率低，所以難以解決高速電主軸內部散熱問題。此外，與基于液體冷卻系統的設計相比，可實現的冷卻能力仍然較低。

電機轉子的發熱量同樣不容忽視，而電機冷卻水套一般只能對定子進行有效冷卻，導致主軸內部熱量無法有效散發，易使電主軸系統出現受熱不均的情況[78]。針對此問題，軸芯冷卻的方法得到有關學者的重視。姜春等[79]通過在軸承處設計螺旋水道并與軸芯相連，達到雙重冷卻的效果。鄧君等[80]將軸芯冷卻通道設計為折返式通道，與定子冷卻通道配合，達到冷卻效果。史曉軍等[70]在軸芯處設置多個冷卻孔，通過冷卻水降低軸芯溫度。Liang等[81]提出了一種中心冷卻結構，研究發現主軸內部熱量可以有效降低。以上所述冷卻方式雖然可以有效降低溫度，但是對于實驗驗證涉及較少，對于更復雜的內部結構易影響主軸動平衡。

以上所述被動冷卻措施具有獨特的經濟和環保優勢。由于沒有額外的冷卻設計，這些方法的操作和維護成本很低，但冷卻性能和冷卻可調性較低。軸的主動冷卻適用于熱負荷和加工精度要求較高的場合，通過流體流過主軸實現冷卻。Abele等[13]提出了一種基于內部冷卻所新開發的主軸。中心組成部分是一個至少有三個獨立連接的旋轉管道，以這種方式通過軸實現了冷卻回路。該系統的一個主要優點是明顯縮短了達到穩定熱狀態所需的時間，從而降低了從主軸到刀具的熱量輸入，減少了軸的熱伸長。John等[82]提出一種將冷卻液和潤滑液作為同一種液體進給軸的方法，并在軸上安裝了一根管道，提供了允許工作液在軸向直接流動的空間，以此簡化結構，從而更易維護。

液體介質冷卻主軸可以提供高冷卻性能，其冷卻能力的可調節性同樣很高。然而，這些方法也有一些缺點，例如需要昂貴的深孔加工工藝，冷卻液流動中產生的氣泡也會導致軸在運行過程中難以保持動態平衡。此外，泄漏問題同樣不可忽視，特別是在密封空間和密封面之間的相對速度較高時，旋轉接頭的密封由于動態原因變得困難。雖然在相對速度較低時，使用高粘性液體可以降低泄油量，但是機器冷卻系統通常使用液體作為冷卻介質，可能需要額外的供油裝置冷卻軸，這些油所需的能量非常大。根據旋轉接頭的設計，在較高的相對速度下需要粘度較低的液體，否則所需的進給壓力可能會顯著增加，但是低粘度液體會導致泄漏流量增加而造成不必要的損失。旋轉接頭的泄漏也是主軸工作時第二大常見的故障來源，一般旋轉接頭的正常運行只能通過耗時的維修工作來保證，這就導致了機器停機。由于基于流體的軸冷卻系統的復雜設計和所需的外圍設備，這些系統的成本約占主軸總成本的15-30%[83]。

3發展與展望

高速電主軸在工作中會不可避免的產生熱量，但是否需要采取冷卻措施，取決于主軸具體精度要求。如果要求較低，則可以采用無需復雜冷卻系統的低成本主軸。商業上可獲得的現代高性能主軸，通常不配備基于流體的軸冷卻系統，一般也沒有設備冷卻軸或軸承內圈，但是也有許多對制造精度要求既不是很高也不是很低的情況，在這種情況下，需要從經濟角度判斷是否需要對軸進行定向冷卻。由于基于流體的軸冷卻系統具有高昂的采購和后續成本，所以通常決定不采取額外冷卻措施。

在特殊情況下，未采取軸冷卻措施會影響到主軸的加工能力，因此需要優化工藝參數以減少熱負荷。如果理論上可用的主軸功率沒有被利用，會導致生產力下降，所以機床用戶必須非常精確的計算當前和未來的經濟形勢是否需要并允許購買具有高成本冷卻系統的主軸。目前基于液體冷卻主軸的冷卻系統之間存在技術和經濟難題，在未來，這些難題將對制造業產生更大的影響。市場對于提高加工精度和加工效率的要求也會增加主軸上的熱負荷，會造成無法提高制造過程效率的技術問題。

冷卻電主軸部件的關鍵是優化并且發展新的技術，如果要在更高的熱負荷下保持制造精度，則需要改進現代高性能主軸的設計及其運行策略。隨著電機的功率損耗越來越大，定子和轉子的有效冷卻技術必須進一步發展并應用于工業實踐。為了達到更高的速度和初始軸承預緊力，主軸軸承技術也需要優化，軸承冷卻優化是其中一個重要因素。增加軸承外圈區域的冷卻能力不是有效的方法，相反應該減少軸承內圈和外圈之間的溫差，通過冷卻軸和軸承內圈是減小溫差的最好辦法。

目前對于商業應用，工業上大多應用的基于流體冷卻的方法較為復雜，雖然存在替代技術，但它們在可實現的冷卻性能、成本以及能源和資源效率方面仍存在不足。因此，必須開發符合成本效益的替代技術，冷卻主軸或軸承內圈，并且有必要縮小或完全消除配有冷卻系統的主軸和普通主軸之間的技術經濟差距，這也是未來高速電主軸冷卻技術的發展趨勢。

對于高速電主軸關鍵部件的材料研究也是未來的重要研究方向之一，應在降低成本的情況下，研究具有更高耐磨性和低發熱率特性的材料并應用于工程實踐。如今，為了實現成為制造強國的目標，智能制造技術已經在工業領域的應用愈加廣泛，未來的冷卻技術也應該更多與智能制造相結合，根據實際加工情況，利用智能制造技術監控內部熱量和環境溫度變化，快速準確的控制冷卻系統，有效減少高速電主軸的內部熱量，提高工作效率。

4結論

隨著功率更大、效率更高的電機發展，以及軸承、潤滑等領域的技術進步，裝有滾子軸承的電機主軸得到了廣泛的應用。如今電主軸有著明顯的向高速度、高功率發展的趨勢，但是由于電機主軸的功率增加，主軸內部的熱損耗增大，這些損失所產生的熱對電主軸會有不利的影響，造成加工精度和生產效率下降等問題。因此，為了更好的發揮電主軸高性能工作能力，有必要對其采取冷卻措施。此外，由于需要保持溫度場的絕對溫度較低以及軸承內外圈之間的溫差較小等原因，發展冷卻技術成為近年來的研究熱點。論文整理和論述了高速電主軸的冷卻技術，并結合了作者所在實驗團隊在相關方面的研究結果，對冷卻技術在實際加工過程中的應用情況進行探討，主要得到以下結論及建議：

1）對電主軸進行熱特性分析，探究電主軸內部熱源、傳熱機理以及生熱影響等問題，需要在電機、軸承、主軸等關鍵部件實施冷卻技術，避免因熱量過高而對電主軸產生不利影響。

2）對電機、軸承和主軸冷卻進行了區分，在不同條件下，主動冷卻與被動冷卻的應用都有所區別。被動冷卻在其應用方式和運營成本以及資源效率方面具有明顯優勢，但是主動冷卻具有更高的冷卻潛力，并已廣泛應用于工業實踐中。

3）具有封閉冷卻回路的流體冷卻系統得到了廣泛的應用，此系統既用于冷卻電機定子和軸承外圈，也用于冷卻電機轉子和軸承內圈，利用軸內冷卻通道對這些部件進行間接冷卻的方法也同樣得到了重視。

4）由于基于流體的主軸冷卻系統的成本可以高達主軸系統總成本的30%，所以此系統一般僅用于對工藝穩定性和主軸可靠性要求特別高的場合，市場上的大部分主軸都沒有主軸冷卻系統，對主軸冷卻系統的成本進行有效的控制是未來研究的重點。

5）如果主軸沒有配備軸冷卻系統，主軸的旋轉部件就不會被冷卻，造成許多此類主軸因為沒有對旋轉部件進行冷卻而使性能受到限制，為了充分利用現代高性能主軸的潛力，這種軸冷卻技術是十分必要的。

近年來，在主軸冷卻領域的研究和開發活動顯著增加。在未來，隨著主軸轉速和電機功率的提高，很可能由于旋轉部件的冷卻不足而無法提高主軸的性能潛力，因此必須發展更高效和更經濟的冷卻技術并應用于工業實踐。

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（編輯：溫澤宇）