Multi-function and miniaturization of the medical equipment and tele-communication systems need small and high precision machined parts. For the economic machining of the small size workpiece it should be machined by small and high precision machine tools with high speed machining. The belt type driving system in turning lathe has a limitation of spindle speeds because of the vibrations from driving mechanism, built-in type of driving mechanism is used to reduce the vibration. However, the main spindle of the built-in motor is connected directly to the motor, so the heat generation of the motor and bearing makes bad influence of the accuracy of machine tools. In this study, the analysis of heat generation from motor and bearings supporting main spindle and experiment were carried out. The results of theoretical simulation of temperature and deformation of the main spindle are good agreement with those of measured.
This study analyzes the thermal effects on the performance of an air foil thrust bearing (AFTB) using COMSOL Multiphysics to approximate actual bearing behavior under real conditions. An AFTB is a sliding-thrust bearing that uses air as a lubricant to support the axial load. The AFTB consists of top and bump foils and supports the rotating disk through the hydrodynamic pressure generated by the wedge effect from the inclined surface of the top foil and the elastic deformation of the bump foils, similar to a spring. The use of air as a lubricant has some advantages such as low friction loss and less heat generation, enabling air bearings to be widely used in high-speed rotating systems. However, even in AFTB, the effects of energy loss due to viscosity at high speeds, interface frictional heat, and thermal deformation of the foil caused by temperature increase cannot be ignored. Foil deformation derived from the thermal effect influences the minimum decay in film thickness and enhances the film pressure. For these reasons, performance analyses of isothermal AFTBs have shown few discrepancies with real bearing behavior. To account for this phenomenon, a thermal-fluid-structure analysis is conducted to describe the combined mechanics. Results show that the load capacity under the thermal effect is slightly higher than that obtained from isothermal analysis. In addition, the push and pull effects on the top foil and bump foil-free edges can be simulated. The differences between the isothermal and thermal behaviors are discussed.
Unsteady-state temperature distributions and thermal deformations of the spindle of a high precision lathe are studied in this paper. Three dimensional model is built for analysis, and the amount of heat generation of bearing and the thermal characteristic values including heat transfer coefficient are estimated. Temperature distributions and thermal deformations of a model are analyzed using the finite element method and the thermal boundary values. Numerical results are compared with the measured data. The results show that the thermal deformations and the temperature distributions of the dpindle of a high precision lathe can be reasonably estimated using the three dimensional model and the finite element method.
The active magnetic bearing has many advantages - an active positioning, no contact and lubrication free motion - and is widely used in high precision motion stages. But, the conventional magnetic bearings composed of electromagnets only are power consuming due to their bias current and have the excessive heat generation, which can make the repeatability of the positioning system worse. To overcome this drawback, we developed a novel permanent magnet (PM) biased linear magnetic bearing for a high precision magnetically levitated stage. The permanent magnets provide a bias flux and generate a bias force, and the electromagnet increases or reduces a flux of the permanent magnets and gives a levitation force. This paper presents a theoretical magnetic circuit analysis, FEM analysis and experimental data from the 1-DOF tests, and compares the theoretical power consumption of the electromagnetic bearings and the PM biased linear magnetic bearings. The PM biased linear magnetic bearing presented in this paper gives better load capacity but lower power consumption than a conventional electromagnetic bearing and will be adopted in our 6-DOF high precision linear positioning maglev stage.
A computational study of BLDC motor is presented to elucidate thermo-flow characteristics in winding and bearing with heat generation. Rotation of rotor and blades drives influx of ambient air into the rotor inlet and the inflow rates are predicted more at the front-side inlet than at the rear-side, which can be ascribed to the different pressure distribution. Recirculation zone appears in the tiny interfaces between windings, however, showing the enhanced cooling performance due to the higher velocity distribution near the rotor wall. In contrast, flow separation and incline angle of bearing groove, and relatively slower velocity distribution cause poor cooling performance and therefore the redesign of the bearing groove is significantly required.
Ball bearings are a major component of mechanical parts for transmitting rotation. Compared to tapered roller bearings, ball bearings offer less rolling resistance, which leads to reduced heat generation during operation. Because of these characteristics, ball bearings are widely used in electric vehicles and machine tools. The design of ball bearing cages has recently emerged as a major issue in ball bearing design. Cage design requires pre-verification of performance using theoretical or experimental formula or computational fluid dynamics (CFD). However, CFD analysis is time-consuming, making it difficult to apply in case studies for design decisions and is mainly used in performance prediction following design confirmation. To use CFD in the early stages of design, main-taining analytical accuracy while reducing the time required for analysis are necessary. Accordingly, this study proposes a laminar steady-state segment CFD technique to solve the problem of long CFD analytical times and to enable the use of CFD analysis in the early stages of design. To verify the reliability of the CFD analysis, a bearing drag torque test is performed, and the results are compared with the analytical results. The proposed laminar steady-state segment CFD technique is expected to be useful for case studies in bearing design, including cage design.
Cooling characteristics of cooling jacket for spindle system with built-in motor are studied. for the analysis, three dimensional model for the cooling jacket is built by using finite volume method. The three dimensional model includes the estimation on the amount of heat generation of bearing and built-in motor and the thermal characteristic values such as heat transfer coefficients on the boundary. The temperature distributions and the cooling characteristics are analyzed by using the commercial software FLUENT. Numerical results show that stream-wise cross section area and flow rate are important factors for cooling characteristics of cooling jacket. Cooling performance of cooling jacket is good in condition that stream-wise cross section's horizontal length is close to its vertical one and flow rate is high. This results show that heat transfer is dominated by velocity profile and heat transfer area.
In the industry, the use of lightweight bearings is increasing to minimize motor power loss, and in particular, the application of next-generation systems such as robots and drones is increasing. Bearing manufacturers are producing lightweight bearings by changing the bearing material, but related researches is insufficient. In this paper, life test and structural analysis were performed for lightweight bearings, and shape parameters and scale parameters were derived based on the life test results. It was confirmed that the shape parameter was 2.52 and the scale parameter was 164 hours. As a result of calculating the dynamic load rating based on the B10 life, it was confirmed that the dynamic load rating of the lightweight bearing was 7% compared to the formula suggested by ISO 281. The reason is that the material of the retainer, which is a major failure part, is a polyamide 66 series that reacts sensitively to heat, so It is judged to show a lot of difference from the ISO 281 calculation formula.
Cooling characteristics of cooling jacket for spindle system with built-in motor are studied. Three dimensional model was selected for the analysis of the helical-type cooling jacket. This model includes the estimation on the amount of heat generation from bearing and built-in motor and the thermal characteristic values such as heat flux on the boundary. The temperature distributions are analyzed and the cooling by Nusselt number and total heat transfer coefficient. Numerical results show that stream-wise cross section area and flow rate are important factors for cooling characteristics of cooling jacket.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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