高速電主軸作為高速機(jī)床的核心部件，也是這類機(jī)床的主要熱源。在高速機(jī)床中，電主軸單元各部分的剛度和精度都較高，工作負(fù)荷小，由切削力引起的電主軸加工誤差也比較小。但是電主軸中電機(jī)的發(fā)熱和軸承的摩擦發(fā)熱是不可避免的，如果處理不當(dāng)，由此產(chǎn)生的熱變形會(huì)嚴(yán)重減小機(jī)床的加工精度。因此，在高速機(jī)床中，電主軸的熱特性成為影響加工精度的主要因素，直接限制了電主軸轉(zhuǎn)速的提高。

高速電主軸的熱源，高速電主軸的熱變形主要是由電機(jī)和主軸軸承的發(fā)熱引起的。在機(jī)床的加工過程中，電機(jī)的輸出功率是其在空轉(zhuǎn)時(shí)消耗的功率和切削時(shí)消耗的功率之和。在高速加工中，機(jī)床空轉(zhuǎn)功耗轉(zhuǎn)化的熱量成為高速加工機(jī)床的主要熱源。主軸軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，存在復(fù)雜的摩擦現(xiàn)象，加劇了加熱強(qiáng)度，直接影響電主軸系統(tǒng)的熱變形。

同時(shí)，由于電機(jī)熱量傳遞給軸承，軸承溫升較高，加速了軸承的磨損，造成精度的損失，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)金屬結(jié)合燒傷現(xiàn)象，導(dǎo)致軸承失效。主軸的熱強(qiáng)度與主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、軸承的類型、配置、預(yù)緊力、潤(rùn)滑劑和傳動(dòng)方式都密切相關(guān)。試驗(yàn)表明，相同尺寸和規(guī)格的鋼球和陶瓷球的角接觸軸承在轉(zhuǎn)速不同時(shí)溫升值相似，但隨著主軸轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高，軸承溫升急劇增加。隨著軸承預(yù)緊力的增加，軸承發(fā)熱量也會(huì)迅速增加。此外，在油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)中，油和氣相互混合在一起冷卻軸承，其中空氣冷卻占有很大的比例。

主軸熱變形的機(jī)理，機(jī)床主軸在工作時(shí)是在內(nèi)部、外部熱源的作用下，而這些熱源一般都是非恒定的。由于加工條件不同，變化程度也不同，主軸各部分材料、形狀和結(jié)構(gòu)不同，其熱慣量也不同。此外，連接器之間結(jié)合面的熱阻、和主軸表面不相同的傳熱條件等因素，使主軸形成復(fù)雜多變的溫度場(chǎng)。在這樣的溫度場(chǎng)作用下，主軸部件的材料產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱位移，這與材料物理特性、零件的形狀和支撐連接的狀態(tài)不同，使得主軸的熱變形問題更加復(fù)雜，給主軸熱變形的研究帶來了很大的困難。在加工過程中，影響機(jī)床加工精度的熱源可分為兩類：內(nèi)部熱源和外部熱源。

主軸系統(tǒng)的溫升通常是指在沒有外部負(fù)載和外部熱源影響的情況下，典型區(qū)域溫度與環(huán)境溫度的差值。在工程中，主軸前軸承的外圈經(jīng)常被用作測(cè)量系統(tǒng)溫升的典型區(qū)域。系統(tǒng)溫升越高，零件熱變形越大，精度損失的可能性越大，系統(tǒng)的熱態(tài)特性越差。影響主軸系統(tǒng)工作精度的關(guān)鍵因素并不是溫升，而是溫度場(chǎng)的分布，即溫度場(chǎng)相對(duì)主軸軸線的對(duì)稱性和溫度梯度。在上升溫度過程中，主軸本身會(huì)軸向延伸，主軸前后支承的中心位置會(huì)在徑向發(fā)生變化。由于前支撐的直徑和載荷通常大于后支架，前支撐的發(fā)熱量也大于后支承，因此前支承和前箱壁的溫度也高于后支承和后箱壁，主軸的工作端會(huì)因熱變形而徑向位移，導(dǎo)致抬頭現(xiàn)象。

高速電主軸的散熱，在內(nèi)部、外部熱源的作用下，高速電主軸各部分溫度不同，而熱量總是從高溫傳遞到低溫。電主軸有三種基本的傳熱方式存在。定子產(chǎn)生的熱量大部分通過對(duì)流被冷卻水或油帶走，小部分通過對(duì)流和輻射傳遞給定子周圍的空氣：轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量一部分通過熱傳導(dǎo)直接傳遞給主軸和軸承，另一部分通過對(duì)流和輻射傳遞給定子。

電機(jī)定子油—水熱交換冷卻系統(tǒng)，高速電主軸通常采用油—水熱交換系統(tǒng)，油泵不斷輸出大流量的冷卻油，通過電機(jī)定子冷卻套的螺旋槽與電機(jī)定子產(chǎn)生熱交換，再通過輸出回路與水進(jìn)行熱交換，使油冷卻后流回油池，實(shí)現(xiàn)循環(huán)冷卻。主軸軸承的油—?dú)鉂?rùn)滑系統(tǒng)是利用一定壓力的壓縮空氣和定量輸出的少量潤(rùn)滑油在一定長(zhǎng)度的管道內(nèi)混合。通過管道內(nèi)壓縮空氣的流動(dòng)，帶動(dòng)潤(rùn)滑油沿管道內(nèi)壁不斷地流動(dòng)，把油氣混合物輸送到安裝在軸承附近的噴嘴，再通過噴嘴噴向軸承內(nèi)圈與滾動(dòng)體的接觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑和冷卻。

電主軸與周圍空氣之間的傳熱，高速主軸電機(jī)工作時(shí)表面較熱，因此在較大溫差作用下發(fā)生自由對(duì)流換熱，同時(shí)也存在輻射換熱。為了減少發(fā)熱對(duì)主軸性能的影響，特別是對(duì)主軸軸承性能的影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，在主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)子和軸承之間安裝了冷卻環(huán)，可以有效減少電機(jī)發(fā)熱對(duì)主軸軸承的影響，延長(zhǎng)軸承的使用壽命。