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1、微电机与动平衡技术徐新德（上海汽车电机厂）1 引 言 消除微电机的振动和减小噪声已越来越被广大电机制造技术人员所重视。转子的质量分布对其轴线而言，不均匀不对称（即中心主惯性轴不与旋转轴线重合），则动不平衡即存在于转子中。引起电机转子动不平衡的基本原因可归结为两大类。一类是设计与制造误差，如电机转子本身结构形状不均匀、加工产生的永久性变形、金加工造成的切削误差等；另一类是材料缺陷，如材料厚度不一致、材料密度不均匀等。 动不平衡又是造成振动和噪声的主要原因，各工业先进国家都已把振动和噪声作为微电机的主要质量指标。为了有效地提高产品质量，对微电机转子动平衡技术进行研究试验是必不可少的。2动平衡技术中
2、加重或减重的原理 在电机转子中，无论存在着任何形式的不平衡，都可在其平面I和平面内加上或减去适当的平衡质量加以校正。如图l所示，假设已知转子的四分之一长度处，存在着一个0.004kg的不平衡质点，在转过90度的面上位于二分之一长度处，存在一个0.003kg的不平衡质点，决定平面I、上的平衡质量时，可在离原来0.004kg不平衡质点的180度处分别加上0.003kg和0.00lkg的平衡质量。对于0.003kg昀不平衡质点，可在和它相隔180度处在I、平面上各加上0.0015kg的平衡质量。当转子旋转时，这些质量所产生的离心力彼此相互抵消，达到平衡。 平面I上的0.003kg和0.001 5kg
3、的平衡质量间隔90度而且都在同一圆周上，它们的合成质量可应用平行四边形法求得为：同样，平面上的合成质量为： 如果不平衡质点不在转子表面，可根据不平衡质量m和不平衡位置半径r乘积相等的原则转化到表面计算。由此可见，不论转子内部的不平衡质量大或小，不管分布的位置如何复杂，每一个不平衡质量总能用平面I、上的两平衡质量平衡，而不论在平面I、上有多少平衡质量，总可合成一个总的平衡质量。所以无论转子内部的不平衡如何复杂，总可在平面I、内分别加上一个质量使转子平衡。 事实上，任何一个需要平衡的电机转子，其不平衡点大小和位置都是未知数，无法进行计算，只能用动平衡试验机，在运转中测定两平面上所应加重或减重的平衡
4、质量的大小和相位。3电机转子不平衡量的三种表达方式 由于转子重心与旋转中心未能重合，当电机转子以等角速度绕轴旋转时，受惯性的作用，产生一离开中心外的离心力。 F= mr2式中F离心力，N m转子不平衡质量，kg r不平衡质量与轴线之间的距离，m 转子旋转的角速熙，rads 经过变换后上式为 式中n-转子旋转的转速，rmin 由上述公式可知，离心力的大小与不平衡质量m成正比，与不平衡质量与轴线之间的距离r成正比，并且与转速n平方成正比。由于转子的不平衡只与转子本身质量分布状态有关，不应随转速的变化而改变。所以用离心力的大小表示转子不乎衡量的大小，显然是不确切的。但离心力大小是计算电机转子机械强度
5、的不可缺少的重要数据。3.1 用重径积mr表示转子的不平衡量 转子产生的离心力F与重径积mr成正比，为了要平衡一个转子，只需要在其反面180度处，按离开中心轴线的远近，决定所需加上或减去重量的大小。按转子结构形状的不同，在校平衡时，只要重径积mr的值不变、平衡重量的大小与径向位置可任意变更。 重径积mr所表示的不平衡程度与转子重量有关mr=We(W-转子重量、e一偏心距)，因此是一个相对量，通常对转子进行校平衡时都是采用重径积m表示转子的不平衡量。3.2用不平衡率（相当于偏心距）P表示转子的不平衡 校正平衡时，采用重径积mr表示转子不平衡量，虽然具有直观、操作方便等优点，但如果需要知道转子不平
6、衡的程度，重径积mr就不能衡量。假设有两台驱动微电机，转子重量分别为3kg和0.5kg，若其不平衡量相等，即重径积mr相等，但其不平衡程度却不同，显然转子为3kg的微电机振动较小，而转子为0.5kg的微电机振动较大。又假设一个质量为4kg的微电机转子有50x 10-5Nm的不平衡量和另一个质量为0.4kg的微电机转子有5x 10-5N-m的不平衡量，两者转子自身重量相差10倍，而不平衡重径积mr也相差10倍，但其不平衡程度却是相同的。因此，有必要用转子单位重量的不平衡量，即不平衡率P来表示转子的不平衡量。E=mrW，转子不平衡率相当于单面平衡转子重心对转轴的偏移量，其所表达的不平衡程度与转子重
7、量无关，是一个绝对量。衡量一个转子平衡的优劣，用不平衡率表示较好，便于直接比较。3.3用平衡精度G表示转子的不平衡量 为了限制转子旋转时所产生的离心力F必须限制转子的重径积mr也就是限制转子的偏心距e由F=mr2可以看出，在增大时，要求F限定在某一数值以下，则必须满足： 也就是说，当转速提高时，为了使转子所受的离心力，不致于增大，必须按1/2减小转子的重径积，也就是必须按1/2减小转子的偏心距P，这就对转子的动平衡提出了较高的要求。研究结果表明，对圆周速度相同，几何形状相似的转子，其应力相等的条件是偏心距e和角速度的乘积e=常数，根据这一理由，国际标准化组织、机械振动和冲击专业委员会（第108
8、技术委员会）ISOTC108制订和推荐的ISO- 1940标准中，用e乘积的大小作为各类转子平衡精度等级的分级标准。其物理意义相当于单面平衡转子重心的速度。4 驱动微电机平衡精度等级的选择和计算 ISO- 1940转子平衡精度等级标准被世界上许多国家所采纳，e取m为单位， ，两者乘积的位数较多，故把e除以1 000，单位由ms转换成mms，就以其数值作为精度等级标号，也就是以 ，将平衡精度分为11个等级，它们是G0.4、 Gl、 G 2.5、G6.3G4 000，精度等级之间的公比为2.5。 根据驱动微电机使用场合、要求高低的不同，适宜采用的平衡精度等级可选用G2.5、Gl、G0.4，其中以G
9、0.4要求为最高，G2.5要求为最低。G6.3G4 000的精度等级不适宜驱动微电机所采用。 例：某驱动微电机转子重量W= 2kg，要求平衡精度等级G2.5，若转子最高转速n=2 500rmin，求： a该转子的允许不平衡率P。 b该转子的允许不平衡重径积mr。 c运转时该转子产生的离心力F。解：a平衡等级G2.5是指G =e/1000=2.5mms ；=2n/60=0.1n；允许不平衡率 b允许不平衡重径积 如果转子上加重或者去重的位置半经R为已知，那么不平衡重量可用mrR求得，很多微电机转子都在转子外圆表面钻去部分重量达到平衡，在转子图纸技术要求上可标注，转子在外圆处允许不平衡重量不大干m
10、rR。 c转子运转时产生的离心力 如果该驱动微电机要求平衡糈度等级为G1、G0.4，其计算结果如表1所示。 考虑到使用上的方便，IS0-1940给出了以转子转速n(rmin)作横轴、以转子剩余不平衡率e(m)作纵轴（两者均为对数座标），按照转子转速和选用精度等级，能很方便地查出其允许剩余不平衡率e如图2所示。5 适用于微电机的国内外动平衡机5.1 国内动平衡机 我国在50年代生产了火花式动平衡机，它是一种误差式平衡机或称不可校准式平衡机，没有平面分离，解算装置，两校正平面之间的相互影响不能消除，不平衡量的大纠抚直观指示，效率很低，已趋淘汰。 RYS型闪光式动平衡机是根据闪光灯的频闪效应确定不平
11、衡的位置，电表指示不平衡量的大小。对于不同型号、规格的转子，必须用误差法反复运转，取得第一只精密平衡的转子，然后在此基础上作平面分离和灵敏度定标。该机操作麻烦、费时、不直观、视觉也很容易疲劳，价格较为便宜。 RYW型光点矢量瓦特表式动平衡机在电气测量系统中具有电气补偿电路，不必用误差法试凑得到第一台精密平衡的转子，而是由机器本身得到一台电气平衡的转子来作平面分离（把左、右两平面上不平衡相互影响的因素消除的方法称作平面分离）和灵敏度定标（确定指示仪表鹰格的不平衡克数称作灵敏度定标）。该机的电气测量系统还有一套自检电路，可检查电子测量系统本身工作是否正常。两个光点矢量式显示屏，可以极座标的形式同时
12、显示左右两平面不平衡量的幅值（克数）和相位（角度位置）。该机性能较为完善。 YYQ型硬支承式动平衡机是填补国内空白，功能较齐全的，并具有“静力”、“力偶”、“自检”装置的新型高档动平衡机，具有体积小，灵敏度高、测量迅速、平衡效率高和经久耐用等许多突出优点，是近两年刚开发的新产品。 硬支承式动平衡机支承摆架的刚性很大，故转子支承系统的固有频率很高，且远远高于平衡转速时的强迫振动频率，因此支承摆架只能产生微小的振动偏移，转子的不平衡量是以力的形式作用在支承架上。所以，硬支承式动平衡机也称测力型平衡机。对各种不同类型转子的几何尺寸，校正平面与支承轴承之间的距离如图3所示。只要调整测量面板上的A、B、C、R1、R2电位器旋钮，便可实现平面分离和灵敏度定标，并在一次起动运转后即能正确地显示出不平衡量的克数及其相位。平衡机的灵敏度及准确性不受操作者人为的影响。该机除对大量生产驱动微电机十分适宜外，特别适用于多品种、小批量转子的动平衡试验，目前在国外有以硬支承替代其他几种动平衡机的趋势。国内动平衡机技术性能如表2所示。5.2国外动平衡机 为便于引进国外先进技术，特列出西德霍夫曼公司( Hofmann)和申克公司( Schenck)的动平衡机技术性能如表3所示。 （注：素材和资料部分来自网络，供参考。请预览后才下载，期待你的好评与关注！）
