电主轴是高速机床的核心功能部件,其动态特性直接影响加工效率、质量和精度。但现有设计方法主要聚焦于电主轴空载时的特性方面,由于电主轴高速运转状态下承受切削载荷时的动态特性对电主轴加工效率和加工精度具有重要而直接的影响,但迄今针对该工况下主轴的动态特性的设计方法研究欠系统深入。因此针对高速电主轴承受切削载荷下的动态特性研究已成为电主轴开发工作的迫切需求。本文提出了基于加载状态下动态特性预测的电主轴结构参数优化的研究思想。基于模态理论和有限元法,建立了高速电主轴系统高速状态下受不平衡力和外载荷激励下的动力学模型,研究了模型固有频率、振型和动态响应的求解方法。通过与文献算例对比,证实了所建立模型和求解方法的正确性。进行了12kW/30000r/min典型电主轴结构设计,所设计的电机内装式电主轴结构紧凑、转子惯量小、动态响应快,适应超高速磨削的需要。利用所提出了模型和求解方法,研究了加载状态下典型电主轴系统的动态响应随外界激振力、转速、不平衡质量等的变化规律。分析了激振力的大小、类型对主轴系统动态响应的影响规律,不平衡质量的大小和分布对于主轴系统的动态响应的影响规律和不同的转速条件对主轴系统不平衡响应的影响。定量分析了主轴跨距、电机转子外径等结构参数对电主轴静刚度、临界转速和动挠度变形下的影响,在此基础上提出了电主轴结构参数优化的具体策略。适当减小主轴跨距,可以提高主轴系统的临界转速及静刚度,降低主轴系统对不平衡质量的敏感程度,减小主轴动态变形,从而提高主轴的动刚度,改善机床抵抗受迫振动的性能。在保证电机输出功率的前提下,适当减小电机转子外径,可以减小主轴系统的附加质量,来提高临界转速。基于以上的研究,搭建了电主轴试验台,利用该实验平台和振动信号采集分析系统分析了工作参数对主轴的静动刚度和动态响应特性影响规律。实验结果证实了主轴系统的承载刚度特性和关键结构的理论设计与研究结果的合理性。本文的研究工作对高速电主轴的结构设计及结构参数工作参数优化具有工程参考价值。