现代的高速电主轴是一种功能型功能部件，它的种类多，应用范围日益广泛。对电主轴的要求，来自以下几方面：１）是当前最盛行的工艺──高速切削的要求。 ２）是竟争日益剧烈的机床市场的需求，这要求电主轴的模块化和结构简单化。３）是加工复杂曲面的要求，这也要求有电主轴这样结构紧凑、占空间小的主轴部件。

     一、电主轴的基本结构和工作原理 高速主轴单元是高速加工机床最为关键的部件。高速主轴单元的类型主要有电主轴、气动主轴、水动主轴。不同类型输出功率相差较大，高速加工机床主轴需要在极短的时间内实现升降速，并在指定位置快速准停。这就需要主轴有很高的角减速度和角加速度。如果通过皮带等中间环节，不仅会在高速状态下打滑、产生振动和噪音，而且增加转动惯量，给机床快速准停造成很大困难。目前，多数高速机床主轴采用内装式主轴电机一体化的主轴单元，即所谓内装式电机主轴（Ｂｕｉｌｄ—ｉｎＭｏｔｏｒＳｐｉｎｄｌｅ），简称“电主轴”。它采用无外壳电机，将带有冷却套的电机定子装配在主轴单元的壳体内，转子和机床主轴的旋转部件做成一体，主轴的变速范围xx由变频交流电机控制，使变频电机和机床主轴合二为一。

    二．高速电主轴结构特点高速电主轴要获得好的动态性能和使用寿命，必须对高速电主轴各个部分进行精心设计和制造。

        高速电主轴基本结构原理简图如图１所示

      （1 ）轴壳 轴壳是高速电主轴的主要部件。轴壳的尺寸精度和位置精度直接影响主轴的综合精度。通常将轴承座孔直接设计在轴壳上。电主轴为加装电机定子，必须开放一端。大型或特种电主轴，可将轴壳两端均设计成开放型。高速、大功率和超高速电主轴，其转子直径往往大于轴承外径，为控制整机装配精度，应将后轴承安装部分设计成无间隙配合。

     （２）转轴 转轴是高速电主轴的主要回转体。它的制造精度直接影响电主轴的最终精度。成品转轴的形位公差和尺寸精度要求很高，转轴高速运转时，由偏心质量引起振动，严重影响其动态性能，必须对转轴进行严格动平衡测试。部分安装在转轴上的零件也应随转轴一起进行动平衡测试。

     （３）轴承 高速电主轴的核心支承部件是高速精密轴承。因电主轴的{zg}转速取决于轴承的功能、大小、布置和润滑方法，所以这种轴承必须具有高速性能好、动负荷承载能力高、润滑性能好、发热量小等优点。近年来，相继开发了动静压轴承、陶瓷轴承和磁浮轴承。动静压轴承具有很高的刚度和阻尼，能大幅度提高加工效率、加工质量。延长刀具寿命，降低加工成本；而且这种寿命为半无限长。美国Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ公司在其生产的主轴单元中极为推崇其拥有专利的动静压轴承。混合陶瓷球轴承目前在高速主轴单元中应用较多，这种轴承滚动体使用热压ｓ。Ｎ。陶瓷球，轴承套圈仍为钢圈。这种轴承标准化程度高，对机床结构改动小，便于维护，特别适合高速运动场合，它的Ａ值已超过２．７Ｘ矿。用其组装的高速电主轴，能兼得高速、高刚度、大功率、长寿命等优点。磁浮主轴的高速性能好、精度高、容易实现诊断和在线监控。但这种主轴由于电磁测控系统复杂，价格十分昂贵，而且长期居高不下，至今未能得到广泛应用。

    （４）定子与转子 高速电主轴的定子由具有高导磁率的优质矽钢片迭压而成。迭压成型的定子内腔带有冲制嵌线槽。转子是中频电机的旋转部分，它的功能是将定子的电磁场能量转换成机械能。转子由转子铁芯、鼠笼、转轴三部分组成。２．工作原理高速电主轴的绕组相位互差１２０，通以三相交流电后，三相绕组各自形成一个正弦交变磁场，磁场转速就是电主轴的同步转速。异步电动机的同步转速ｎ由输入电机定子绕组电流的频率ｆ和电机定子的极对数Ｐ决定（ｎ一６０ｆ／Ｐ）。电主轴就是利用变换输入电动机定子绕组的电流的频率和激磁电压来获得各种转速。在加速和制动过程中，通过改变频率进行加减速，以免电机温升过高。由于电机旋转磁场的方向取决于输入定子三相交流电的相序，故改变电主轴输入电流的相序，便可改变电主轴的旋转方向。二、高速电主轴的驱动高速电主轴由静止升速至每分钟数万转乃至数十万转是相当困难的。电主轴为保证正常工作，必须施加一定量的预负荷，这又增加了电主轴的阻力矩。为使电主轴能顺利地完成启动过程，应选取较大的启动转矩，故高速电主轴的启动电流要超出普通电机的额定电流。５—７倍。静止变频电源是利用交流变频调速技术。变频器将工频交流电转换为所需频率交流电。变频器工作原理是建立在磁场矢量控制理论基础上的。目前采用大功率晶体管静止变频电源。现今广泛使用的晶体管变频器是脉冲调幅式变频调速电源。可将三相５０ＨＺ３８０Ｖ交流电源转换成三相中频电源，其输出电压。频率连续可调。{zx1}的变频器采用先进的晶体管技术（如瑞土ＡＢＢ公司生产的ＳＡＭＩＧＳ系列变频器），可以实现异步电动机的无级变速。目前，这种电源的适应性、实用性、经济性均较好，已成为高速电主轴主要驱动电源。

     三、高速电主轴的润滑和冷却 １．润滑以动静压主轴支承的电主轴，润滑剂一般为温水或粘度较低的高速机械油。供油压力一般较大，达５—７ＭＰａＺ流量也较大。此外，应采用特殊方式降低油路中润滑油温升，如供油采用静压二级闭式油路’“，回油采用强制冷却如水冷和风冷等。以混合陶瓷球主轴支承的电主轴，一般用油雾、油气润滑。油器润滑中，空气与油混合，压缩空气（来自工厂气源，经精细过滤器）常供，而油（少数厂家还加某种添加剂）采取定时、必须的最小量的方式供给。这种润滑方式虽然所需设备复杂，成本很高，但这些润滑方式能对每个主轴分别进行xx润滑，润滑油利用率极高，主轴发热量小，无环境污染。另外喷油润滑、环下润滑也是新型少油润滑。在高速主轴中也将有广阔应用前景。２．冷却高速电主轴在将电能转化为机械能的同时，也有一部分转化为热能。所有这些热能无法通过电扇和机壳向外扩散，必须加以控制，否则电主轴将因热量积聚而使主轴的机械效率下降、主轴精度丧失、破坏电机线圈绝缘层的介电强度，主轴轴承也将受到破坏。电主轴的温度有限元分析表明，其热量大部分产生于通电后的定子。可设计一个通入冷却液的套筒，其内装定子绕组，用循环冷却液体吸收和带走电机产生的热量，保持电主轴单元壳体均匀的温度分布。因此，电主轴的常用冷却方法是利用水冷降低主轴系统的温升。高速电主轴的冷却系统主要依靠冷却液的循环流动来实现，流动的冷压缩空气能起一定的冷却作用。

     四、高速电主轴的特征

     １．规格大多数的主轴套筒为圆形，并以其外径为最主要的规格。当前国际市场上可供应的最小尺寸为ｉ３３（瑞士ＩＢＡＧ公司产品），相应高精速为１０００００ｒ／ｍｉｎ功率（Ｐｓ。）为 ０．１６５ｋｗ ；{zd0}尺寸 ｐ３００（德国 Ｐａｕｌ Ｍｕｌｌｅｒ公司以ＧＭＮ为商标的产品，以下简称ＧＭＮ），相应的{zg}转速为６０００ｒ／ｍｉｎ，功率（Ｐｓ。）３６ｋｗ。中间尺寸大致为Ｏ４２，Ｏ４５，ｐ６０，ｉ８０，ｐｌ００，ｐ１２０，ｐｌ４０，ｉｌ５０，Ｏ２００，ｐ２５０等。其中以Ｏ８０至ｉ１７０的生产厂家较多。转速{zg}的为 １８００００ｒ／ｍｉｎ，此时套筒外径为ｉ８０，主轴轴径为Ｑ８（ＧＭ产品），功率{zg}为７０ｋｗ，此时{zg}转速为１５０００ｒ／ｍｉｎ，套筒外径为ｉ２５０。从以上可以看出，产品规格覆盖面极广，可以满足从小型到某些重型机床的需要。

     ２．外形 如上所述，大多数主轴套筒为圆形，其配合公差为ｈｓ或ｈ６，是否带法兰由用户选定。有的厂商（如瑞士ＩＢＡＧ）兼供应带锥柄，可置于加工中心刀库中，当作可更换刀具，应用于带ＣＢＮ砂轮的磨削。

     ３．质量指标和承载能力一般厂家在供货前进行１００～２００小时运转，并提供以下实测数据：

   （１）径向和轴向跳动径向跳动一般小于２卜ｍ，轴向为１卜ｍ。

   （２）径向和轴向刚度以ＩＢＡＧ的主轴轴径为ｐ５５的电主轴为例，其径向和轴向刚度分别为２７０Ｎ／ｐｍ和２３０Ｎ／ｐｍ。

   （３）{zd0}转速下的振动水平一般用振动速度来衡量，以 ＧＭＮ的ｉ２３０，２４０００ｒ／ｍｉｎ，４５ｋｗ，５７Ｎｍ的电主轴为例，其振动水平为１．二ｉｍ／ｓ。

   （４）轴线不平稳度一般按ＩＳＯ标准，不低于 ＧＯ．４。

   （５）{zd0}转速下热平衡后的温升一般为２０ｔ。

   （６）{zd0}转速下的噪声一般为７５ｄＢ主轴。

     五、高速电主轴的应用及其发展前景 国外关于电主轴的研究开展较早，现已逐渐应用到机械制造业中。在１９９７年的１２届欧洲国际机床展览会上（ＥＭＯ９７），新型的电主轴是最热门的功能部件。例如在ＥＭＯ９７上，电主轴作为磨削主轴展出的厂家数达２８，不仅有常用于内圆磨削的电主轴，现已有应用于外圆磨削的电主轴，功率{zd0}达６．ｇｋｗ。一些厂家展出的磨床上均装备了专业化生产的电主轴。如美国Ｌａｎｄｉｓ公司曲轴磨床的Ｏ９００砂轮主轴和凸轮轴磨床的Ｏ６００砂轮主轴也均是电主轴，而不再是皮带传动的主轴，据悉该公司生产的外圆磨床所配置的电主轴，采用了动静压轴承，其特点为高压，大间隙和小孔节流。另外，除了德国Ｓｉｅｍｅｎｓ、日本Ｆａｎｕｃ等公司生产电主轴外，现已出现专业生产厂。例如瑞士Ｍｉｃｒｏ机床厂的成员Ｓｔｅｐ－Ｔｅｅ公司专产电主轴。

     还应注意到电主轴主要难点在于高精度。电主轴还作为车、铣、馒、螳铣床用主轴，在ＥＭＯ９７上这样展出厂家数为３２，为数也不少。我国电主轴过去主要用于内圆磨削。目前正下大力气研究、开发电主轴。可以预计，高速电主轴在我国机械加工中将得到广泛应用。