高速數(shù)控沖床的高速主軸要在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)升速和降速并在指定位置快速準(zhǔn)確停車，就要求主軸具有很高的角加速度。如果通過帶、齒輪和離合器等中間傳動(dòng)系統(tǒng)，不僅存在傳動(dòng)帶打滑、振動(dòng)和噪聲大等缺點(diǎn)，而且轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，很顯然這些中間傳動(dòng)系統(tǒng)已不能適應(yīng)其要求。如果將交流變頻電動(dòng)機(jī)直接裝在數(shù)控沖床主軸上，即采用內(nèi)裝式無(wú)殼電動(dòng)機(jī)，其空心轉(zhuǎn)子通過壓配合直接裝在數(shù)控沖床主軸上，帶有冷卻套的定子則安裝在主軸單元的殼體中，就形成了內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)主軸，簡(jiǎn)稱電主軸(motorized spindle)。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就是數(shù)控沖床的主軸，主軸單元的殼體就是電動(dòng)機(jī)座，從而實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)與數(shù)控沖床主軸的一體化。
電主軸的優(yōu)點(diǎn)是主軸組件結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量和慣量小，可提高啟動(dòng)、停止的響應(yīng)特性，并有利于高速轉(zhuǎn)動(dòng)和控制振動(dòng)、噪聲，目前高轉(zhuǎn)速主軸大多采用電主軸。但電主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的熱量容易使主軸產(chǎn)生熱變形，所以一般電主軸內(nèi)都配有獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)以控制溫升，如油霧冷卻系統(tǒng)和主軸循環(huán)冷卻系統(tǒng)等。

目前采用的電主軸單元有兩種：一種是內(nèi)裝式交流變頻電動(dòng)機(jī)電主軸單元；另一種是內(nèi)埋式永磁同步電動(dòng)機(jī)電主軸單元。
1.內(nèi)裝式交流變頻電動(dòng)機(jī)電主軸單元電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子與數(shù)控沖床的主軸間是通過過盈套筒的過盈配合傳遞轉(zhuǎn)矩，過盈量按所傳遞轉(zhuǎn)矩的大小計(jì)算。電主軸的過盈套簡(jiǎn)直徑在1>33-50mm內(nèi)有十幾個(gè)規(guī)格，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)180 000r/min，功率70kW。
根據(jù)電動(dòng)機(jī)和主軸軸承相對(duì)位置的不同，這種布局有電動(dòng)機(jī)置于主軸前后兩軸承之間和電動(dòng)機(jī)置于后軸承之后兩種方式。
圖6. 7所示為電動(dòng)機(jī)置于主軸前后兩軸承之間的結(jié)構(gòu)。此種布局的優(yōu)點(diǎn)是電主軸單兀的軸向尺寸較小、主軸剛度高、輸出力大，適用于大中型加工中心，故大多數(shù)加工中心均采用此結(jié)構(gòu)布局方式。
 
圖6.8所示為電動(dòng)機(jī)置于后軸承之后的結(jié)構(gòu)，此時(shí)主軸箱與電動(dòng)機(jī)作軸向的同軸布置(也可用聯(lián)軸器)。其優(yōu)點(diǎn)是：前端的徑向尺寸可減小，電動(dòng)機(jī)的散熱條件較好。但整個(gè)電主軸單元的軸向尺寸較大，與主軸的同軸度不易調(diào)整。此種布局常用于小型高速敷控?cái)?shù)控沖床，尤其適合于加工模具型腔的高速精密數(shù)控沖床。
 
前后軸承間的跨距及主軸前端的伸出量，均應(yīng)按靜剛度和動(dòng)剛度的要求計(jì)算。

2.內(nèi)埋式永磁同步電動(dòng)機(jī)電主軸單元
圖6. 9為內(nèi)埋式永磁同步電動(dòng)機(jī)電主軸單元的結(jié)構(gòu)示意圖，單元中的主軸組件由高速精密陶資軸承支撐于電主軸的外殼中，外殼中還安裝有電動(dòng)機(jī)的定子鐵芯和三相定子繞組。主軸系統(tǒng)工作時(shí)，由冷卻泵打入切削液帶走主軸單元內(nèi)的熱量，以保證電主軸正常工作。主軸為空心結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部和頂端安裝有刀具的拉緊和松開機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)換刀。主軸外套內(nèi)有電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，主軸端部還裝有激光角位移傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸旋轉(zhuǎn)位置的閉環(huán)控制，保證自動(dòng)換刀時(shí)實(shí)現(xiàn)主軸的準(zhǔn)停和螺紋加工時(shí)C軸與Z軸的準(zhǔn)確聯(lián)動(dòng)。
內(nèi)埋式永磁同步電動(dòng)機(jī)電主軸單元具有如下優(yōu)點(diǎn)。
(1)電動(dòng)機(jī)的效率高，電主軸單元的體積小、重量輕，有利于實(shí)現(xiàn)主軸單元的位置與姿態(tài)的高速控制。
(2)用新型永久磁鐵代替感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的鼠籠，轉(zhuǎn)子發(fā)熱少，有利于保證主軸的精度。
(3)有較高的強(qiáng)度，提高了電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的可靠性與安全性。
(4)可方便地實(shí)現(xiàn)恒功率弱磁調(diào)速，從而擴(kuò)大了電主軸的調(diào)速范圍，可有效地滿足寬范圍高速切削的要求。