针对无线传感器热电耦合自供能存在的输出电量低和电压波动等问题,提出一种新型能量管理系统电路拓扑结构及基于最优时间的充放电控制策略,以保证自供能无线传感器在各种主轴转速条件下稳定工作。建立了机床主轴的热网络模型,分析了热发电能量管理系统输入特性。然后,设计了能量管理系统的多电容电路拓扑结构,并通过电容充放电时间参数的优化计算,获取最优的热发电平均输出功率。实验研究证实了在主轴不同转速下热发电构件及能量管理系统可以使无线传感器稳定的工作。对不同的电容充电和放电时间设置方案进行了比对,验证了最优时间控制策略的优越性。最后,利用热电耦合自供能无线传感器和传统有线传感器所监测的温度数据分别进行了主轴轴向热变形建模实验,结果表明:采用无线传感器可以监测有线传感器难以配置的主轴核心部件,从而获取和主轴热变形具有更高相关性的温度数据,使所建热变形预测模型的误差减少约40%以上。