电主轴的结构设计

根据电动机在主轴上安装位置的不同，电主轴通常有下面两种结构形式：电动机安装在主轴前后轴承之间。即该类电主轴有前后两个支承。采用这种结构的电主轴，由于其轴向尺寸相对较小，使得主轴的整体刚性好、功率也大。所以，这种结构形式的电主轴非常适用于高速数控机床。

电动机安装在主轴后轴承之后。也就是说主轴电动机和主轴箱都在主轴的轴线方向上布置。采用这种结构的优点是可以有效地缩短主轴前端的径向尺寸，同时还有利于电机的散热。缺点是主轴的轴向尺寸比较大。所以，这种结构形式的电主轴通常用在小型高速数控机床上。

2、主轴电机

电动机作为高速电主轴的关键部件之一，其技术参数的高低直接决定了电主轴的技术水平。目前，可供电主轴使用的电动机主要有两种：交流同步电机和异步电机。交流异步电机与同步电机相比，具有以下优点：价格适宜、极限转速高、维修便利、控制系统简单。交流同步电机与异步电机相比，具有的优点是：在相同的扭矩下，电机体积较小，从而可以使电主轴具有紧凑型的机械结构；在相同的惯性矩下，启动时间短；在相同的力矩下，冷却功率较高；在相同的转速下，功率和扭矩都比较大；转子功率损耗小，可以使轴承和转子的温升较小。通过对二者优点的对比可知，同步电机更适用于高速电主轴。由于同步电机的功率因数高，损耗的功率小，可以从根本上降低电主轴的热源强度，从而有效地改善电主轴的热态性能。

3、主轴轴承

轴承作为高速电主轴的又一关键部件，是电主轴实现高速、高精度的前提条件。因此，我们在为电主轴选择合适的轴承时，要充分考虑到主轴轴承与普通轴承的差异性。主轴轴承作为电主轴的支承核心，在电主轴进行高速运转时，会受到比较大的载荷，同时轴承内部的摩擦也在加剧。所以，在选择电主轴轴承的时候，必须考虑该轴承是否能达到电主轴的极限转速，同时对轴承的刚度和低温升也有极高的要求。在综合分析各种轴承的性能之后，总结出两种电主轴常使用的轴承：陶瓷球轴承和磁悬浮轴承。陶瓷球轴承陶瓷球轴承，是伴随着电主轴的高速化要求而发展起来的。普通的滚动轴承，由于其滚动体是钢珠，极大地制约了轴承转速的提高，而将滚动轴承的滚动体用具有耐高温、密度小等优点的陶瓷材料做成后，滚动轴承的极限转速得到了巨大的提高。在滚动轴承众多的结构形式中，由于角接触球轴承的高速性能高，又可以同时承受径向负荷和轴向负荷，所以它是电主轴支承的选。与此同时，当角接触球轴承的滚动体使用陶瓷材料后，其寿命和转速与钢珠角接触球轴承相比均有较大幅度的提高，而且它还具有刚度大、温升小的优点。所以角接触陶瓷球轴承是目前电主轴理想的主轴轴承。磁悬浮轴承磁悬浮轴承，作为一种智能化控制的轴承，是随着现代机械加工对电主轴功率和转速要求提高的基础上产生的，由于它具有很高的转速和功率，目前主要应用于超高速大功率机床上。由于磁悬浮轴承的定子线圈与转轴之间没有机械接触，所以磁悬浮轴承可以达到很高的转速，大约是滚动轴承主轴转速的 2 倍。如果两个电主轴的极限转速相同，采用磁悬浮轴承的电主轴可以有较大的轴径，从而具有较大的负荷能力与刚度。总而言之，使用磁悬浮轴承的电主轴会具备高刚度、高转速和高功率的优点。但是，由于磁悬浮轴承制造费用高，发热问题较难解决。所以至今仍没在工业上得到推广和应用，只是用于一些特定的场合。电主轴轴承的配置方式为：一端固定，一端浮动。具体来说，就是主轴前端的轴承固定，后端的轴承浮动。这种轴承的配置方式一方面可以保证电主轴的高速性与整体刚度，另一方面可以补偿主轴的热变形。

4、电主轴润滑

轴承润滑的主要目的就是利用润滑剂在套圈、滚动体和保持架之间的摩擦面形成起隔离作用的润滑油膜以降低轴承的磨损与摩擦，确保其良好的运转。与此同时，润滑对轴承还具有一定的散热作用。

5、电主轴冷却系统

由于电主轴在高速的运转过程中，其内置电机与高速轴承的发热是无法避免的。因此，在选定了电主轴的电机与轴承之后，我们已不可能从降低热源的发热强度来实现对电主轴发热和温升的控制。所以，为了达到对电主轴内部热源发热量的控制，必须设计专门的冷却系统对电主轴的主要热源进行针对性的冷却。我们知道，电机与轴承是电主轴的主要热源，因此，对电主轴的冷却就是对内置电机和主轴轴承的冷却。由于高速轴承油气润滑系统中的润滑剂在对轴承起到润滑作用的同时，也带走了轴承内部摩擦所产生的大量热，所以对轴承的发热起到了一定程度的散热作用。其实轴承的油气润滑系统可谓是一举两得，不仅有润滑作用，同时也拥有冷却散热的作用，也是电主轴轴承的一个冷却系统。