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数控铣床电主轴的设计
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影响高频电主轴工作寿命的主要原因及解决方法
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影响高频电主轴工作寿命的主要原因及解决方法
官方公共微信高速电主轴的工作原理与应用-转载
随着新世纪的到来，现代机械制造工业向高精度、高速度、高效率的方向飞速发展，对加工机床提出了更高要求。这就需要可以高速运转的主轴部件系统──高速主轴单元。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪音低、响应快等优点，可以减少齿轮传动，简化机床外形设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中一种理想结构。
高速电主轴是一种功能型部件，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，主轴的变速范围完全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
）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。因电主轴的最高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。最新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精确润滑，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；最大尺寸
ｐ３００（德国ＰａｕｌＭｕｌｌｅｒ公司以ＧＭＮ为商标的产品，以下简称ＧＭＮ），相应的最高转速为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。转速最高的为１８００００ｒ／ｍｉｎ，此时套筒外径为ｉ８０，主轴轴径为Ｑ８（ＧＭ产品），功率最高为７０ｋｗ，此时最高转速为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）最大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）最大转速下热平衡后的温升一般为２０ｔ。
（６）最大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，功率最大达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。
机床高速电主轴的原理与应用@郭力$湖南大学!4
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以上网友发言只代表其个人观点，不代表新浪网的观点或立场。高速数控机床电主轴控制技术_百度百科
高速数控机床电主轴控制技术
本书较系统地介绍了高速数控机床电主轴工作原理，电主轴的常用控制技术，即恒压频比控制、矢量控制及直接转矩控制的理论。通过仿真技术及实验数据，详细分析变频器控制下电主轴的电磁损耗及电磁振动问题。结合国家自然科学基金及"863"计划项目的理论研究成果及技术上的最新进展，对比分析了变频器控制下陶瓷电主轴与金属电主轴的电磁损耗及电磁振动的区别。将智能控制应用于电主轴的直接转矩控制中，在分析定子电阻对控制系统性能影响的基础上，介绍了采用智能控制技术进行电主轴定子电阻辨识的新方法
前言 　　第1章 电主轴工作原理 　　1.1 电主轴概述 　　1.1.1 电主轴分类 　　1.1.2 电主轴结构 　　1.1.3 电主轴电机工作原理 　　1.1.4 电主轴技术参数 　　1.1.5 电主轴技术发展趋势 　　1.2 电主轴关键技术 　　1.2.1 高速电主轴轴承技术 　　1.2.2 电主轴电动机及控制技术 　　1.2.3 电主轴润滑及冷却技术 　　1.2.4 电主轴动平衡技术 　　1.2.5 电主轴刀具接口技术 　　1.3 电主轴运行性能 　　1.3.1 精度和刚度 　　1.3.2 临界转速 　　1.3.3 残余动不平衡值及验收振动速度值 　　1.3.4 噪声与套筒温升值 　　1.3.5 拉紧刀具的拉力值和松开刀具所需压力的最小和最大值 　　1.3.6 使用寿命值 　　1.3.7 电主轴与刀具接口 　　1.3.8 其他伺服性能 　　第2章 电主轴控制系统概述 　　2.1 电主轴发展现状 　　2.1.1 高速电主轴技术发展现状 　　2.1.2 电主轴单元运行特性研究现状 　　2.2 电主轴驱动系统构成 　　2.2.1 变频器外接端口 　　2.2.2 变频器功能参数 　　2.3 变频器主要功能 　　2.3.1 频率给定功能 　　2.3.2 运行控制功能 　　2.3.3 变频器控制方式及选择功能 　　2.3.4 制动控制功能 　　第3章 脉宽调制技术 　　3.1 脉宽调制逆变原理 　　3.1.1 脉宽调制原理 　　3.1.2 脉宽调制逆变电路 　　3.2 三角载波脉宽调制 　　3.2.1 脉宽调制 　　3.2.2 脉宽调制方式 　　3.3 电流跟踪脉宽调制 　　3.4 磁通跟踪脉宽调制 　　3.4.1 电压空间矢量 　　3.4.2 电压空间矢量与磁通轨迹 　　3.4.3 磁通跟踪脉宽调制 　　第4章 电主轴控制技术 　　4.1 电主轴恒压频比控制技术 　　4.1.1 电主轴控制方式与特性分析 　　4.1.2 电主轴电压-频率控制机械特性 　　4.1.3 电主轴恒压频比控制建模及仿真分析 　　4.2 电主轴矢量控制技术 　　4.2.1 坐标变换 　　4.2.2 电主轴动态数学模型 　　4.2.3 电主轴矢量控制 　　4.2.4 无速度传感器矢量控制系统建模与仿真分析 　　4.2.5 高速永磁电主轴矢量控制 　　4.3 电主轴直接转矩控制技术 　　4.3.1 电主轴直接转矩控制原理 　　4.3.2 逆变器数学模型与空间电压矢量 　　4.3.3 电主轴直接转矩控制系统模型 　　4.3.4 电主轴直接转矩控制系统仿真及结果分析 　　4.3.5 永磁同步电主轴直接转矩控制 　　4.4 直接转矩控制与矢量控制的内在联系与区别 　　4.4.1 直接转矩控制与矢量控制的内在联系 　　4.4.2 直接转矩控制与矢量控制的区别 　　第5章 电主轴智能控制技术与应用 　　5.1 概述 　　5.1.1 电主轴控制的难点问题 　　5.1.2 基于智能控制的电主轴驱动技术 　　5.2 模糊控制技术在电主轴控制中的应用 　　5.2.1 基本模糊调节器 　　5.2.2 模糊神经网络(FNN)调节器 　　5.2.3 模糊神经网络控制器 　　5.3 人工智能技术辨识电主轴参数 　　5.3.1 定子电阻对直接转矩控制性能的影响 　　5.3.2 定子电阻特性分析 　　5.3.3 基于RBF神经网络定子电阻辨识 　　5.3.4 定子电阻混合智能辨识方法 　　5.3.5 定子电阻混合智能辨识仿真试验 　　5.3.6 定子电阻辨识直接转矩控制系统仿真验证 　　第6章 变频器控制下电主轴损耗特性 　　6.1 电主轴损耗理论基础 　　6.1.1 电主轴损耗分类 　　6.1.2 电主轴基本铁耗 　　6.1.3 空载时铁芯中的附加损耗 　　6.1.4 电气损耗 　　6.1.5 负载时的附加损耗 　　6.1.6 机械损耗 　　6.2 变频器控制下电主轴损耗特性有限元分析 　　6.2.1 非正弦供电对电主轴损耗的影响 　　6.2.2 非正弦供电对电主轴损耗影响有限元分析 　　6.3 载荷对电主轴损耗影响分析 　　6.3.1 载荷对电主轴损耗影响的仿真分析 　　6.3.2 连接式电主轴自动加载试验装置及检测效果 　　6.3.3 载荷对电主轴损耗影响试验研究 　　6.4 电主轴温度特性 　　第7章 变频器控制下电主轴振动特性 　　7.1 概述 　　7.2 电主轴电磁振动机理 　　7.2.1 电主轴空间谐波 　　7.2.2 电主轴时间谐波 　　7.2.3 电主轴三相合成磁势 　　7.2.4 谐波对电磁力的影响 　　7.3 电主轴电磁力分析及计算方法 　　7.3.1 电磁场计算解析法 　　7.3.2 电磁场计算有限元法 　　7.4 变频器控制模式对电磁振动的影响 　　7.4.1 变频器控制模式对电磁振动影响的仿真分析 　　7.4.2 变频器控制模式对电磁振动影响的试验研究 　　7.5 载荷对电磁振动的影响 　　7.5.1 载荷对电磁振动影响的仿真分析 　　7.5.2 载荷对电磁振动影响的试验研究 　　7.6 转轴材料对电磁振动的影响 　　7.6.1 转轴材料对电磁振动影响的仿真分析 　　7.6.2 转轴材料对电磁振动影响的试验研究 　　第8章 变频器控制下陶瓷电主轴运行特性 　　8.1 陶瓷电主轴损耗特性 　　8.1.1 陶瓷电主轴与金属电主轴损耗对比 　　8.1.2 载荷对陶瓷电主轴损耗的影响 　　8.1.3 变频器载波比对陶瓷电主轴损耗的影响 　　8.2 陶瓷电主轴振动特性 　　8.2.1 V/F控制下陶瓷电主轴振动性能试验 　　8.2.2 气隙对电磁振动影响的仿真分析 　　8.3 陶瓷电主轴抵抗单边磁拉力的能力分析 　　8.3.1 气隙偏心对陶瓷电主轴转子系统的影响 　　8.3.2 偏心条件下定子电流变化对单边磁拉力的影响 　　8.3.3 单边磁拉力作用下电主轴转轴位移有限元分析 　　参考文献
第1章 电主轴工作原理 　　高速加工技术可以解决机械产品制造中的诸多难题，如获得特殊的加工精度和表面质量，这项技术在各类装备制造业中得到越来越广泛的应用，从而使得高速数控机床成为装备制造业的战略性产业。高性能主轴系统是高速数控机床的核心功能部件之一，对机床的加工效率及零件的加工精度有着极其重要的影响。本章主要介绍电主轴的分类、结构及工作原理，并在此基础上分析电主轴的关键技术及运行性能。 　　1.1 电主轴概述 　　随着变频调速技术（电动机矢量控制技术、直接转矩控制技术等）的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动的机械结构已经得到极大的简化，取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此成为“主轴单元”，俗称“电主轴”[1] 。电主轴在英文中有多种称谓，如electricspindle、motorspindle、motorizedspindle、highfrequencyspindle以及directdrivespindle等。电主轴与传统的主轴传动系统相比，具有结构紧凑、简单的特点，便于在多轴联动机床上应用。 　　1.1.1 电主轴分类 　　高速电主轴单元是高速加工机床的核心部件。高速电主轴单元的类型通常按支承轴承型式、润滑方式、冷却方式、应用领域及电动机类型进行分类。具体分类见表1.1。 　　表1.1 电主轴分类 　　分类方法 　　支承轴承型式 　　润滑方式冷却方式应用领域电动机类型 　　种 类 　　滚动轴承、磁悬浮轴承、流体动（静）压轴承 　　油脂、油雾、油气水冷、风冷、自冷车削、铣削、磨削、钻削、旋辗、离心等交流异步型电动机、永磁同步型电动机 　　1.磨削用电主轴 　　磨削用电主轴是目前国内最主要的电主轴类型，也是国内外最早研发应用的类型，磨削用电主轴主要应用于高速磨削以提高磨削线速度和表面质量为目的，需要具有高速度、高精度和输出功率大的特点，如轴承磨床、各种内圆磨床、外圆磨床等。 　　2.车削用电主轴 　　车削用电主轴可获得良好的加工精度和表面质量，特别适用于铝、铜等有色金属零件的加工。车削加工中心所使用的电主轴应该具备两方面的性能，一方面要能够传递运动及扭矩，并具有在带动工件旋转的同时直接承受切削力的能力；另一方面，电主轴要在一定载荷和转速下保证工件精确而稳定地绕其轴线作回转运动，并在动态和热态的条件下，仍能保持这一性能。因此，车削加工中心所使用的电主轴应具备如下特征： 　　（1）高回转精度。车削加工中心电主轴作为装夹工件的基准，将运动传递给工件，因此其回转精度直接影响加工精度。为了使电主轴在高速运转时获得较高的回转精度，除了要保证其关键零件必须进行精加工和超精加工外，还要选用尺寸和精度等级合适的轴承，并采用合理的装配方案。 　　　　（2）高刚度。主轴刚度反映主轴单元抵抗外载荷的能力。为了保证加工精度、避免振动，要求电主轴具备较高的径向刚度及轴向刚度。特别是在粗加工时，切削量较大，主轴要承受很大的径向力，因此对轴向刚度的要求更高。 　　　　（3）抗振性强。振动是主轴动态性能的重要指标，振动将会产生噪声，并直接影响工件的表面加工质量，振动严重时会产生崩刃打刀现象。机床工作时，主轴部件不仅受静态力的作用，同时还受其他冲击力和交变干扰力的作用而产生振动。因此，电主轴的抗振性要强。 　　　　（4）电动机特性优良。车削加工中心因为既要实现粗加工，又要实现精加工，因此要求有较广的加工范围，这就要求电主轴既要有优良的低速加工性能，又要有很好的高速加工性能。因此，加工中心电主轴需要在起步及低速段采用恒转矩调速，保证低速时有较大的输出转矩，满足低速大进给的切削要求；而高速段采用恒功率调速，可以满足小切削量的高转速要求。对一些低速性能要求高的电主轴，应采用高性能的矢量变频器控制。 　　　　（5）热特性稳定。由于电主轴是将高速电动机置于机床主轴部件内部，高速运转时，电动机定子、转子和轴承的发热量很大，从而引起热变形，直接影响机床的工作性能和加工精度，因此要求加工中心电主轴的热态性能稳定。 　　3.铣削用电主轴 　　铣削用电主轴与数控铣、雕铣机及加工中心相配套，进行高速铣削和雕刻加工，适用于常规零件、工模具、木工件加工。铣削用电主轴有自动换刀和手动换刀两种，自动换刀主轴带有自动松拉刀系统，刀具更换方便快捷；手动换刀主轴结构简单，经济实惠、适合不需频繁换刀的机床。雕铣用电主轴转速偏高，一般在24000r/min以上，通常选用ER弹簧卡头来夹持刀具，其电动机输出可分为恒功率和恒转矩两种，市场占有率为70%～80%。大型数控铣削用电主轴由于不设刀库，无需换刀，因此可选用开环控制。加工中心用电主轴通常采用闭环编码控制，若需实现低速大扭矩输出，在选择电主轴型号时，需要提供电主轴转速范围及恒功率段起点转速并且要有准停功能。电主轴润滑系统通常选用高速油脂润滑或油气润滑以减少油雾对环境的污染。 　　4.钻削用电主轴 　　钻削用电主轴主要是指PCB板高速孔化所使用的电主轴，常规速度等级分60000r/min、80000r/min、90000r/min、105000r/min、120000r/min、180000r/min六种。前三种为油脂润滑型滚动轴承支承的电主轴，其加工范围为孔径0.2～0.7mm；后三种为空气静压轴承支承的电主轴，可用来钻削孔径为0.1～0.15mm的小孔。 　　5.其他电主轴 　　高速离心机用电主轴广泛用于分离、粉碎、雾化、试验等高速离心领域。高速旋?用电主轴用于加工空调设备的内螺纹铜管。特殊用途的电主轴主要用于驱动、试验、切割等。 　　1.1.2 电主轴结构 　　电主轴的剖面图如图1.1所示，图中表明，电主轴由定子、转子、前盖、后盖、转轴、前端轴承、后端轴承、轴承预紧、水套及壳体组成。电主轴的定子是由具备高磁导率的优质硅钢片迭压而成，迭压成型的定子内腔带有冲制嵌线槽。转子通常由转轴、转子铁芯及鼠笼组成。转子与定子之间存在一定间隙，称为气隙，它是磁场能量转换的通路，用于实现将定子的电磁力场能量转换成机械能。电主轴的转子用热套的方法安装在转轴上，处于前后轴承之间，由热套后产生的摩擦力来实现大转矩的传递。由于转子内孔与转轴配合面之间有很大的过盈量，因此，在装配时必须在油浴中将转子加热到200℃左右，迅速进行热压装配。电动机的定子通过冷却套（一般为水冷）固装在电主轴的壳体中。这样，电动机的转子就是机床的主轴，电主轴的套筒就是电动机座。对于加工中心用电主轴，在主轴的后部安装有齿盘，作为电感式编码器，以实现电主轴的全闭环控制。一般情况下，电主轴前端外伸部分，依靠内锥孔和端面固定砂轮接杆或可换的刀柄。 　　　　图1.1 加工中心电主轴剖面① 　　电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高、功率大，还具有控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，因此是承载高速切削技术的主体之一。在高速加工时，采用电主轴实现刀具/工件的精密运动并传递金属切削所需的能量是最佳的选择。其原因主要包括以下几点： 　　（1）传统的主轴系统通过带轮或齿轮传动方式传递电动机的运动及转矩，由于齿轮及带轮不可避免地存在制造及安装误差，在高速运转条件下产生的振动和噪声等问题很难解决，影响高速加工的精度、加工表面粗糙度，并导致环境质量的恶化。电主轴系统采用内置电机与主轴合二为一的方式，实现了真正意义上的零传动，并在相对意义上解决了高速运行条件下机械零件导致的噪声及振动问题。 　　　　（2）高速加工的最终目的是为了提高生产率，相应地要求在最短时间内实现高转速的速度变化，即要求主轴回转时具有极大的角加速度和减速度。达到这一要求的最有效的方法是将主轴传动系统的转动惯量尽可能地减至最小。而将电动机内置，省掉齿轮、带轮等一系列中间环节，可以达到这一目的。 　　　　（3）对于电主轴来说，将电动机内置于主轴两支承之间，与传统的机械主轴结构相比，可以较大地提高主轴系统的刚度，从而提高系统的固有频率和临界转速值。这样，电主轴即使在最高转速运转时，仍然可以保证工作速度低于其临界转速，从而避免了高速回转时的共振。 　　（4）电主轴由于没有中间传动环节的外力作用，主轴高速运行时避免了中间传动冲击从而更为平稳，使得主轴轴承寿命相应地得到延长。 　　1.1.3 电主轴电机工作原理 　　1.三相异步电主轴工作原理 　　三相异步电主轴的定子通入三相对称电流，电主轴内部形成圆形旋转磁通、圆形旋转磁通密度，合成磁场随着电流的交变而在空间不断旋转，即产生基波旋转磁场，图1.2为不同时刻电主轴内部磁场仿真图。从图中可以看出，电主轴内部磁场为圆形，旋转磁通密度方向为逆时针旋转，若转子不转，转子鼠笼导条与旋转磁通密度相对运动，导条中产生感应电动势，其方向由右手定则确定。旋转磁场的转速为 　　ns = 60 nfsp （1.1） 　　式中，np为电动机的极对数；fs为电源频率，Hz；ns为旋转磁场的转速（也称同步转速），r/min。 　　　　图1.2 旋转磁场仿真图 　　转子导条彼此在端部短路，导条中产生电流i，不考虑电动势与电流的相位差，该电流方向与电动势一致，导条在旋转磁场中所受电磁力为F，产生电磁转矩T，转子回路切割磁力线，其转动方向与旋转磁通势一致，并使转子沿该方向旋转。假设转子转速为nr当nr&ns时，表明转子导条与磁场存在相对运动，产生的电动势、电流及受力方向与，转子不转时相同，电磁转矩T为逆时针方向，转子继续旋转，并稳定运行。当转子的转速等于同步转速ns时，转子与旋转磁场之间无相对运动，转子导条不切割旋转磁场，转子无感应电动势，无转子电流和电磁转矩，转子将无法继续转动。因此，异步电主轴的转子转速往往小于电源的同步转速[2] 。 　　转子转速nr与同步转速ns之间的差异定义为转差率s，即 　　s = ns n-s nr （1.2） 　　式中，nr为转子转速，r/min；ns为同步转速，r/min。 　　由式（1.2）可知，转差率越小，表明转子转速越接近同步转速，电主轴效率越高。 　　1） 定子电压方程 　　由前述可知，三相异步感应电主轴中的旋转磁场是由定子电流和转子电流共同产生的。图1.3为三相异步电主轴定子、转子电路。其中图1.3（a）为定子电 　　路，图1.3（b）为转子电路，Us、Es、si分别是定子的相电压、相电动势和相电流，Us 、 　　Es、is分别是转子绕组的相电压、相电动势和相电流，图中箭头的指向为各量的正方向。 　　　　图1.3 三相异步电主轴定子、转子电路 　　图1.3表明，以同步转速旋转的气隙旋转磁场，将在定子三相绕组内感应对称的三相电动势Es。根据基尔霍夫定律，定子每相所加的电源电压Us，应当等于该 　　　　电动势的负值-Es加上定子电流所产生的漏阻抗压降is（Rs+jXsσ）。于是，定子的电压方程为 　　　　Us=is（Rs+jXsσ）-Es（1.3） 　　　　式中，Rs为定子每相的电阻，Ω；Xsσ为定子每相的漏抗，Ω；Es为励磁电流im在励 　　磁阻抗上Zm的压降，即Es=-mi Zm ，V 。 　　2） 转子电压方程 　　对于三相异步电主轴，气隙主磁场除在定子绕组内感生频率为fs的电动势 　　Es外，还将在旋转的转子绕组内感生转差频率fr=sfs的电动势Ers，Ers的有效}