電主軸是高速數控加工機床的「心臟部件」，本文介紹了電主軸的工作原理、典型結構，闡述了電主軸的關鍵技術，總結了其發展趨勢。
1、概述
由於高速加工不但可以大幅度提高加工效率，而且還可以顯著提高工件的加工質量，所以其應用領域非常廣泛，特別是在航空航天、汽車和模具等製造業中。於是，具有高速加工能力的數控機床已成為市場新寵。目前，國內外各著名機床製造商在高速數控機床中廣泛採用電主軸結構，特別是在複合加工機床、多軸聯動、多面體加工機床和並聯機床中。電主軸是高速數控加工機床的「心臟部件」，其性能指標直接決定機床的水平，它是機床實現高速加工的前提和基本條件。
2、電主軸的工作原理、典型結構及優點
2.1 電主軸的工作原理
電主軸就是直接將空心的電動機轉子裝在主軸上，定子通過冷卻套固定在主軸箱體孔內，形成一個完整的主軸單元，通電後轉子直接帶動主軸運轉。
2.2電主軸的典型結構
電主軸單元典型的結構布局方式是電機置於主軸前、后軸承之間（如圖所示），其優點是主軸單元的軸向尺寸較短，主軸剛度大，功率大，較適合於大、中型高速數控機床；其不足是在封閉的主軸箱體內電機的自然散熱條件差，溫升比較高。
1主軸箱體 2冷卻套 3冷卻水進口 4定子 5轉子 6套筒
7冷卻水出口 8轉軸 9反饋裝置 10主軸前軸承 11主軸后軸承
2.3電主軸的優點
電主軸省去了帶輪或齒輪傳動，實現了機床的「零傳動」，提高了傳動效率。電主軸的剛性好、迴轉精度高、快速響應性好，能夠實現極高的轉速和加、減速度及定角度的快速准停（C軸控制），調速範圍寬。
3、電主軸的關鍵技術
「電主軸」的概念不應簡單理解為只是一根主軸套筒，而應該是一套組件，包括：定子、轉子、軸承、高速變頻裝置、潤滑裝置、冷卻裝置等。因此電主軸是高速軸承技術、潤滑技術、冷卻技術、動平衡技術、精密製造與裝配技術以及電機高速驅動等技術的綜合運用。
3.1電主軸的高速軸承技術
實現電主軸高速化精密化的關鍵是高速精密軸承的應用。目前在高速精密電主軸中應用的軸承有精密滾動軸承、液體動靜壓軸承、氣體靜壓軸承和磁懸浮軸承等，但主要是精密角接觸陶瓷球軸承和精密圓柱滾子軸承。液體動靜壓軸承的標準化程度不高；氣體靜壓軸承不適合於大功率場合；磁懸浮軸承由於控制系統複雜，價格昂貴，其實用性受到限制。
角接觸球軸承不但可同時承受徑向和軸向載荷，而且剛度高、高速性能好、結構簡單緊湊、品種規格繁多、便於維修更換，因而在電主軸中得到廣泛的應用。目前隨著陶瓷軸承技術的發展，應用最多的電主軸軸承是混合陶瓷球軸承，即滾動體使用Si3N4陶瓷球，採用「小珠密珠」結構，軸承套圈為GCr15鋼圈。這種混合軸承通過減小離心力和陀螺力矩，來減小滾珠與溝道間的摩擦，從而獲得較低的溫升及較好的高速性能。
陶瓷球混合軸承與鋼球軸承相比，優點如下：
（1） 陶瓷與鋼組成的陶瓷球軸承摩擦性能非常好，能降低材料與潤滑劑的應力。
（2） 因陶瓷密度低，可降低運轉時的離心力。
（3） 陶瓷較低的熱膨脹係數有效降低了軸承預加負荷的變化。
（4） 陶瓷的彈性模量較高，可以提高軸承的剛性。
上述因素大幅度地延長了軸承的壽命和提升了軸承的運轉極限速度。
3.2電主軸的潤滑技術
高速電主軸必須採用合理的、可控制的軸承潤滑方式來控制軸承的溫升，以保證數控機床工藝系統的精度和穩定性。採用滾動軸承的電主軸的潤滑方式目前主要有脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑等方式。
脂潤滑在轉速相對較低的電主軸中是較常見的潤滑方式。脂潤滑型電主軸的潤滑系統簡單、使用方便、無污染、通用性強。
油霧潤滑具有潤滑和冷卻雙重作用，它以壓縮空氣為動力，通過油霧器將油液霧化並混入空氣流中，然後把其輸送到需要潤滑的位置。油霧潤滑所需設備簡單，維修方便，價格比較便宜，是一種普遍使用的高速電主軸潤滑方式。但它有污染環境，油耗比較高等缺點。隨著人們對環保要求的提高，油霧潤滑方式必將逐漸被淘汰。
油氣潤滑技術是利用壓縮空氣將微量的潤滑油分別連續不斷地、精確地供給每一套主軸軸承，微小油滴在滾動和內、外滾道間形成彈性動壓油膜，而壓縮空氣則可帶走軸承運轉所產生的部分熱量。
實踐表明在潤滑中供油量過多或過少都是有害的，而前兩種潤滑方式均無法準確地控制供油量多少，不利於主軸軸承轉速和壽命的提高。而新近發展起來的油氣潤滑方式則可以精確地控制各個摩擦點的潤滑油量，可靠性極高。實踐證明，油氣潤滑是高速大功率電主軸軸承的最理想潤滑方法，但其所需設備複雜，成本高。由於油氣潤滑方式潤滑效果理想，目前已成為國際上最流行的潤滑方式。
3.3電主軸的熱源分析及其冷卻
電主軸有兩個主要的內部熱源：內置電動機的發熱和主軸軸承的發熱。如果不加以控制，由此引起的熱變形會嚴重降低機床的加工精度和軸承使用壽命，從而導致電主軸的使用壽命縮短。
電主軸由於採用內藏式主軸結構形式，位於主軸單元體中的電機不能採用風扇散熱，因此自然散熱條件較差。電機在實現能量轉換過程中，內部產生功率損耗，從而使電機發熱。研究表明，在電機高速運轉條件下，有近1/3的電機發熱量由電機轉子產生，並且轉子產生的絕大部分熱量都通過轉子與定子間的氣隙傳入定子中；其餘2/3的熱量產生於電機的定子。所以，對電機產生髮熱的主要解決方法是對電機定子採用冷卻液的循環流動來實行強製冷卻。典型的冷卻系統是用外循環水式冷卻裝置來冷卻電機定子，將電機的熱量帶走。
角接觸球軸承的發熱主要是滾子與滾道之間的滾動摩擦、高速下所受陀螺力矩產生的滑動摩擦以及潤滑油的粘性摩擦等產生的。減小軸承發熱量的主要措施：
（1）適當減小滾珠的直徑 減小滾珠直徑可以減小離心力和陀螺力矩，從而減小摩擦，減少發熱量。
（2）採用新材料 比如採用陶瓷材料做滾珠，陶瓷球軸承與鋼質角接觸球軸承相比，在高速迴轉時，滾珠與滾道間的滾動和滑動摩擦減小，發熱量降低。
（3）採用合理的潤滑方式 油氣和油霧等潤滑方式對軸承不但具有潤滑作用，還具有一定的冷卻作用。
3.4電主軸的設計和裝配
電主軸要獲得好的性能和使用壽命，必須對電主軸各個部分進行精心設計和製造。電主軸的定子由具有高導磁率的優質矽鋼片迭壓而成，定子內腔帶有沖制嵌線槽。轉子由轉子鐵芯、鼠籠和轉軸三部分組成。主軸箱的尺寸精度和位置精度也將直接影響主軸的綜合精度。通常將軸承座孔直接設計在主軸箱上，為加裝電機定子，必須至少開放一端。
主軸高速旋轉時，任何小的不平衡質量即可引起電主軸大的高頻振動。因此精密電主軸的動平衡精度要求達到G1~G0.4級。對於這種等級的動平衡，採用常規的方法即僅在裝配前對主軸上的每個零件分別進行動平衡是遠遠不夠的，還需在裝配後進行整體的動平衡，甚至還要設計專門的自動平衡系統來實現主軸的在線動平衡。另外，在設計電主軸時，必須嚴格遵守結構對稱原則，鍵聯接和螺紋聯接在電主軸上被禁止使用，而普遍採用過盈聯接，並以此來實現轉矩的傳遞。過盈聯接與螺紋聯接或鍵聯接相比有：不會在主軸上產生彎曲和扭轉應力，對主軸的旋轉精度沒有影響；主軸的動平衡易得到保證等優點。轉子與轉軸之間的過盈聯接分為兩類，一類是通過套筒實現的，此結構便於維修拆卸；另一類是沒有套筒，轉子直接過盈聯接在轉軸上，此類聯接轉子裝配后不可拆卸。由於內孔與轉軸配合面之間有很大的過盈量，所以轉子與轉軸可以採用轉軸冷縮和轉子熱脹法裝配。帶有套筒的聯接拆卸時，需向轉子套筒上預留的油孔中高壓注油，迫使轉子的過盈套筒漲開，即可順利拆卸下電機的轉子。電機定子通過一個冷卻套固定裝在電主軸的箱體中。
3.5電主軸的運動控制
在數控機床中，電主軸通常採用變頻調速方法。目前主要有普通變頻驅動和控制、矢量控制驅動器的驅動和控制以及直接轉矩控制三種控制方式。
普通變頻為標量驅動和控制，其驅動控制特性為恆轉矩驅動，輸出功率和轉速成正比。普通變頻控制的動態性能不夠理想，在低速時控制性能不佳，輸出功率不夠穩定，也不具備C軸功能。但價格便宜、結構簡單，一般用於磨床和普通的高速銑床等。
矢量控制技術模仿直流電動機的控制，以轉子磁場定向，用矢量變換的方法來實現驅動和控制，具有良好的動態性能。矢量控制驅動器在剛啟動時具有很大的轉矩值，加之電主軸本身結構簡單，慣性很小，故啟動加速度大，可以實現啟動后瞬時達到允許極限速度。這種驅動器又有開環和閉環兩種，後者可以實現位置和速度的反饋，不僅具有更好的動態性能，還可以實現C軸功能；而前者動態性能稍差，也不具備C軸功能，但價格較為便宜。
直接轉矩控制是繼矢量控制技術之後發展起來的又一種新型的高性能交流調速技術，其控制思想新穎，系統結構簡潔明了，更適合於高速電主軸的驅動，更能滿足高速電主軸高轉速、寬調速範圍、高速瞬間准停的動態特性和靜態特性的要求，已成為交流傳動領域的一個熱點技術。
4、電主軸的發展趨勢
隨著機床技術、高速切削技術的發展和實際應用的需要，人們對機床電主軸的性能也提出了越來越高的要求，電主軸技術的發展趨勢主要表現在以下幾個方面：
（1）向高速大功率和低速大轉矩方向發展
（2）向高精度、高剛度方向發展
（3）向精確定向（准停）方向發展
（4）向快速起、停方向發展
（5）向超高速方向發展
（6）向標準化方向發展
