基于热特性和回转稳定性的电主轴
综合性能实验研究
摘要
高速电主轴作为一个集成电机和旋转芯轴一体化的机床核心部件，其内部
的各零部件结构紧凑，但其造成的电主轴内部热量堆积问题成为影响电主轴加
工精度的主要因素。本文的研究对象是在旧款电主轴的基础上对电机、轴承和
冷却系统进行优化设计的新型电主轴。采用QBC轴承组配方式改善其回转精
度，采用T型-迷宫型冷却流道结构改善其冷却系统，采用新型电机改善其产热
特性。通过仿真与实验相结合的方法对比分析了两款电主轴，可知新型电主轴
相比较于旧款电主轴而言其加工精度性能更优。区别于一些探究电主轴加工精
度的研究方法，本文主要通过电主轴的温度特性、热位移特性和回转稳定性三
个方面来综合研究新型电主轴的加工精度性能：通过数值计算、仿真分析和实
验验证的方法来研究电主轴的温度特性和热位移特性；通过实验分析电主轴的
振动特性来研究电主轴的回转稳定性。
首先，从电机、轴承和冷却系统三个方面对新型电主轴进行了深入地分析，
通过数值分析法对电主轴的产热和传热进行了分析和计算，并发现随着转速的
增加，电机的生热率先上升后下降再上升，轴承的生热率随着转速的增加持续
上升。
其次，设计了新型电主轴温升实验和新型电主轴与旧款电主轴热位移对照
实验，设计了电主轴静不平衡量模拟振动实验，并搭建电主轴振动对比实验平
台，并基于对拖电机设计了电主轴对拖实验。
随后，通过仿真与实验相结合的方法，研究新型电主轴的综合性能得出：
主轴系统的高温区域随着转速的增加逐渐从电机转子的位置转移到前轴承组的
位置；在达到额定转速之前，随着转速的增加，电主轴的轴向热位移和径向热
位移都随之增加；随着转速的继续上升，轴向热位移先减小后增加，径向热位
移一直下降；电主轴振动速度随着静不平衡量、转速和径向受力的增加而增加；
电主轴温度对振动速度的影响不大；随着振动速度的增加，电主轴的热位移也
随之增加。
-I-
最后，相较于旧款电主轴，新型电主轴的轴向热位移在转速达到8000r/min
时下降最大达到12.386μm，而在转速达到10000r/min时径向热位移下降最大
达到11.78μm，证明新型电主轴具有更好的热特性；在相同工况下，新型电主
轴相对于旧款电主轴的振动速度减少量与静不平衡量都和转速成正比，证明新
型电主轴具有更高的回转稳定性。
关键词电主轴；热位移；回转稳定性；T型-迷宫型冷却流道；振动特性
-II-
ExperimentalStudyonComprehensivePerformance
ofMotorizedSpindleBasedonThermal
CharacteristicsandGyroscopicStability
Abstract
High-speedmotorizedspindleasanintegratedmotorandrotaryarbor
integrationofthecorecomponentsofthemachinetool,itsinternalparts,and
componentsofthecompactstructure,butitscausedbytheinternalheatbuildupof
themotorspindlehasbecomeamajorfactoraffectingthemachiningaccuracyofthe
motorizedspindle.Theresearchobjectofthisthesisisthenewtypeofmotorized
spindlewithanoptimizeddesignofmotor,bearing,andcooling