电机换热系数的确定.doc

划片机气静压电主轴的冷却与热传递研究王明权，孔德生(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京东燕效101601)1引言
信息产业是现代经济的先导产业。而以集成电路为核心的电子元器件是信息产业的基础；划片机是集成电路产业中分割IC晶片(wafer)电路单元(die)的精密切割设备；是电子元器件微型化的瓶颈。划片机的切割机理是强力磨削，气静压电主轴正是带动金刚石外圆刀具高速旋转(3000～60000r／min)切割(强力磨削)晶片的部件，其热态特性、刚性、轴线旋转精度等动静态特性决定着电子元器件的品质。
气静压电主轴的径向、轴向跳动均小于3μm，而在实际工作中发现，由于主轴发热造成的热变形量可大于10μm，热变形是影响主轴精度的最主要因素。因此，研究主轴的冷却情况，并采取适当的措施恒定主轴的散热系数，减小由主轴热变形造成的加工误差，是划片机研究的重要内容。
2气静压电主轴的冷却
划片机气静压电主轴的冷却系统如图1所示。电主轴冷却主要通过3种方式实现：一是主轴电机冷却水流过电机定子冷却套对主轴电机强制冷却；二是切割冷却水在流经主轴和冲洗刀具时带走热量；三是空气轴承排气时的散热。
值得注意的是，流入电机定子冷却套的冷却水和流出电机定子冷却套的冷却水温度并非越低越好。这是因为内置电动机的转子无法用冷却水冷却，总有一定的温升，故希望定子温升值与转子温升值尽量接近。划片机工作时，气静压电主轴由于内置电机的功率损耗发热及空气轴承气膜的剪切摩擦发热，主轴的温度总是比环境温度高。热量总是从高温处向低温处传递，这就是传热。传热有热传导、对流和辐射3种基本的方式，在这3种基本的传热方式的作用下电主轴与周围环境进行热交换。转子产生的热量一部分通过导热直接传递给主轴和空气轴承，另一部分通过对流及辐射传递给定子；定子产生的热量一部分通过流经定子冷却套的主轴电机冷却水进行热对流，另一部分通过对流和辐射传递给定子周围的空气；空气轴承气膜的剪切摩擦产生的热量，一部分通过压缩空气进行对流换热，另一部分传递给主轴外壳。电主轴的各外表面则与周围的空气进行对流和辐射换热。气静压电主轴的热传递示意图如图2所示，箭头代表热量传递的方向。
3气静压电主轴热传递研究
3．1主轴电机冷却水对流换热系数
电机定子和主轴电机冷却水之间的热交换属管内流体强迫对流换热，主轴电机冷却水流过电机定子冷却套时将热量带走。冷却水在管中的不同流态具有不同的换热规律，所用的换热系数计算公式也不相同。为此必须先算出雷诺数Re以判别流态，然后选用相应的公式计算[1]。工程计算时常以临界雷诺数区分层流和紊流。
Re数是一个无量纲的量，被用作层流和紊流的判据，定义为：
式中：D为几何特征的定型尺度，u为流体的特征速度，v为流体的运动黏度，f为下标，表示以流体的平均温度为定性温度，以管径D为定型尺寸。当流体处于紊流状态时，采用下式计算努谢尔特数Nuf：
层流时对流换热热阻较大，换热系数远比紊流时小。当流体处于层流状态时，采用下式计算努谢尔特数：
式中：
L为主轴电机冷却水套水流动管的长度。普朗多准数反映流体物性，其表达式如下：
式中：cp为流体的比热；ρ为流体的密度；v为流体的黏度：λ为流体导热系数。
由Nu数即可求出管内流体强迫对流换热系数a：
3．2转子端部的热传递
电动机转子所产生的热量，一部分通过气隙传递给定子，由定了通过主轴电机冷却水将热量导出；一部分传递给主轴和空气轴承，通过空气轴承的排气将热量导山；还有部分通过端部传入周围的空气。
当定、转子气隙中的气体处在纯层流状态时，热量是通过纯导热由一个表面传到另一个表面，并且热交换强度不取决于转速。转子端部与周同空气进行对流换热和辐射换热。换热系数用下式表示[2]：
式中：Vt为转子端部的周向速度。
3．3切割冷却水流过主轴时的热传递
在划片机的上作过程中，切割冷却水的消耗量0．2～4L／min。在功率管、晶体管、光电子等器件的分割中切割冷却水均采用自来水。而自来水的温度受环境的影响、且切割过程通水而对准过程中不通水。这些小确定因素对主轴热变形的影响巨大。切割冷却水的换热系数计算过程基本与主轴电机冷却水的计算过程相同。
3．4空气轴承排气时的热传递
主轴旋转时空气轴承气隙中有轴向流动的气体，同时存在着气膜的剪切，热交换的情况比较复杂。
假设压缩空气从喷嘴冲出时为自由射流，动量沿流动方向保持不变，为出口动量值。根据动量不变原理，可计算出压缩空气作用于轴承的实际空气流量[3]。
压缩空气从喷嘴喷出向轴承喷射，使轴承有一个附加的轴向气流。轴向气流在转轴与轴承间的流动面积为：Aax=2πdmΔh（7)
式中：Aam为气流流过轴承面积，dm轴承平均直径，Δh为轴承气隙。
主轴高速旋转时，周围空气可在主轴的旋转部位产生轴向和切向气流，轴向和切向气流的平均速度可由下式