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1、干货 高速电机转子设计以及电机轴承结构设计轴承设计“ 8 不要”高速电机的特点： 转速高、功率密度大、几何尺寸小， 节约材料；转动惯量较 小、动态响应较快； 可与负载直接相 连， 省去传统变速装置， 减小噪音提升系统效率； 高速电 机广泛的应用前景： 高速磨床、空气循环制冷系统、高速离 心压缩机、纺织、军 工等。高速电机可靠运行的关键： 转子 的强度转子的动力学特性高速电机转子设计要求： ?要有 足 够的强度 ?要有足够的刚度 ?满足临界转速要求 ?能使电机 输出足够的功率高速转子综合设计流程图： 离心应力分析分 析：磁钢与护套过盈可靠性分析： 利用护套保护转子，在高 速电机中很很常见，护套一
2、般采用 非导磁合金钢或者碳纤维 等材料。非导磁合金钢护套对高频 磁场起到一定的屏蔽作 用，并能减小永磁体和转子轭中的高 频附加损耗，同时导热 性较好，有利于永磁体的散热，缺点 是产生涡流损耗；碳纤 维厚度薄，但是是热的不良导体，不 利于永磁转子散热，对 永磁体没有高频磁场屏蔽作用。外加 一薄层导电性能良好而 不导磁的金属可以起到屏蔽高频磁 场的作用。磁钢与护套过盈的有限元分析：除旋转状态外，还需要考虑 静止状态、高温状态。临界转速模态的定义 : 模态即结构的固有频率，是结 构在受到干扰时容易发生振动的频率，结构在固有频率下的 变形称 为主振动模态，也称为振型。固有频率和振型的计算 是一个 特征
3、值问题。特征值对应固有频率，特征向量对应振 型。临 界转速的定义： 产生剧烈振动时的转速称为临 界转速。轴和 轴系在工作时主要产生两类振动：横向振动、 扭转振动。 横向振动 （质心偏离回转轴线 ）产生的原因。 扭转振动受到变化的力矩作用）产生的原因。刚性支撑模 态： 转速与临界转速： 轴承对临界转速的影响 :陀螺转矩对临界 转速的影响： 轴系振 动模态： 当机组串联运行耦联成一个 多跨转子系统，整个机组轴系有 其自身的动力特性，与各单 转子之间的临界转速既有区别又 有联系。单转子平衡，连成 轴系后也不能保证轴系中各转子 的平衡，其主要原因有：单 转子振型及临界转速在连成轴系 后发生变化；转子联
4、接时存 在偏差；冷、热状态下机组平衡 发生变化；耦联转子各自残 余不平衡量的相位差引起的不平 衡。 轴系振动模态：单转子与机组临界转速比较： 总结与展望 高速电机发展势头良好，转子强度和临界转速 是 转子设计的基本，除了本文中提到的分析项目外，还需要 做 转子与轴过盈可靠性分析、装配应力与变形分析、工作状 态 应力与变形分析等。为了做出更好的高速电机，机械、电磁、温度多场耦合设计亦是必然。本文结构：轴承及与之相 关的零部件，如端盖、轴承套、轴承内外盖、挡油盘等组合 在一起称之为“轴承结构” ，并非狭义的轴承本身的结构。 轴承在电机中的作用：支撑转子转子定位保证气隙大小均匀 减小摩擦，降低损耗中
5、小型电机中，深沟球轴承最常用。 深 沟球轴承的结构：外圈、内圈、保持架、滚动体、防尘盖 (密封盖) 深沟球轴承的优势： 优良的轴向和径向承载能 力， 使之成为中小型电机的首选可以通过波形垫圈施加预负 载， 使电机运行更加安静、可靠不同的密封方式适应不同的 需要 使用宽温油脂，可以运行与更宽广的温度范围 轴承设计 需要考虑的以下问题：尺寸负荷大小方向转速定速、变速、高速轴及轴承座材料负载驱动方式电机安装方式噪音要求温 度要求轴承寿命润滑维护状态监测制造类：制造可行性、精度、运 输、安装工具 轴承设计主要包括两部分工作：轴承选型、轴 承结构设计。 轴承选型，机械设计手册和大厂的轴承手册都有详细方法
6、。 轴承结构设计针对不同类型的电机差异很大，轴承又是一个 易损部件，电机机械部分的故障大部分集中在轴承处。暂时 没能力系统完整的阐述电机轴承结构设计，但是对于采用滚 动轴承的电机，在其轴承结构的设计中可以做到以下的“八 不要”，提升电机安全运行的可靠性！ (1) 不要使轴承受到 挤 压滚珠或滚子在滚道中能轻松自如地旋转，是因为它们与轴承内、外套间有游隙存在。若轴承套受到挤压，游隙就会 变小，因为轴承游隙的数值很小，所以对游隙的变化很敏 感。因此，轴承最怕受到挤压。在轴承诸多的损坏原因中， 挤压居首位。（ 2） 不要使轴承过热要想使轴承不过热，除轴承处的散热状 况好，减少本身的发热外，还要尽量让
7、它远离热源定、转 子绕组。改善轴承处的通风散热状况通风散热结构及路径 应考虑轴承处的冷却 ;带有内循环通风的电机， 应使经过热 交换被冷却的内循环气流，优先考虑吹拂到轴伸端的轴承 ; 与轴承配合的零部件尽量加些散热筋 ; 安装尺寸允许时，外 风路的气流在逸散到电机周围之前，可以借助挡风板先吹拂 到 轴伸端的轴承外盖处再逸散到周围。尽量不要采用“三 轴承”结构，“三轴承” 结构有两个缺点 : 容易发热; 不 便拆装。因此，尽量不用。润滑脂的质量、牌号及加注量 a.选用 润滑脂时要用优质品，不要嫌贵。否则会因小失大（ 涂到轴 承上的并不多，见c） o b.润滑脂的牌号要能胜任电机 的转速及使用环境
8、。c.加脂量要适当。其他a.皮带 轮张力过大时应调节到合适的状态；b.若轴承游隙小，必 要时更 换大游隙轴承；6 加强监控，在轴承室较热的部位 埋入热敏 元件，用继电保护系统将温度控制在某一值上（不超过7075C为宜）。d.轴承受挤压和别劲 也是发热的隐 患，应及早排除。（ 3） 不要别劲要保证使用中轴承不别劲，应注意以下 3 点（其中、与加工的关系较密切）：与轴承有关 的零部件 的同轴度要保证电机装成后，两端轴承必须在同一 条轴线 上。这就要求转子或转轴、端盖、轴承套、机座在加 工时要 精心，同轴度务必保证。其中轴承套这个零件，从保 证同轴 度着眼， 能不用最好不用。 因为有它时， 轴承先装
9、 入轴承套， 轴承套再装入端盖中，多一道径向配合的尺寸 链，对于保证 同轴度来说，显然不如将轴承直接装入端盖中 好。轴承距l不宜太大。L尽量遵循L 10d,式中，d轴承内径 mm 若设计时，保证不了上式，应设法使 l 小一点。同时采 取些补救措施。如 ： 提高转子刚度（ 铁心与转轴采用热 套配合）；提高动平衡精度。使用中机座不要变形较大 的铸铁机座及 钢板焊接机座，时效必须到位。尤其是形状不 对称，结构上 又比较“单薄”的焊接机座，在时效上决不可 含糊，否则后 患无穷。（ 4） 不要“干研”“干研”指轴承滚道中无润滑脂 （ 油） 。电机出厂或修后重新组装时，加注润滑时都比较 “慷慨” ，不 敢
10、慢怠轴承。虽然有些偶然原因，如现场工人 没及时加润滑 脂，招致轴承干研，但主要原因是以下两个。 润滑脂牌号 不能满足使用要求润滑脂对于转速、温度比较敏感。应按照 不同的使用状况选用不同牌号的润滑脂， 几乎 不存在 “万能” 润滑脂。德国 FAG 公司按照不同温度、转 速、负载种类选 用的 5 种润滑脂用在不同的电机上，见下表 (润滑脂牌号及适用范围)：轴承结构未能含住润滑脂( 5) 不要被污染防止污染可以采取以下措施电机的防护等 级应能满足使用要求润滑脂中决不允许有灰尘混入。除粉尘 防爆及潜水电机外，国内电机的防护等级绝大部分是 IP44、IP54,后者允许在有粉尘场所中使用。对于轴承部分的防
11、 护， 应注意以下五点。 a 电机装配现场要清洁无尘。涂上 润滑 脂后应立即将轴承内、外盖装好，不能间歇。b IP54 的主 要措施是在外盖处加橡胶密封圈。橡胶密封 圈有两种，见图( a) 、( b) ，两种结构的摩擦表面的粗糙度务必保证。IP54 两种橡胶密封圈示意图 c 橡胶密封圈容易老化， 要按时更换。 d 轴承内盖处的防护也不容忽视，一是防止 润滑脂进入电 机内腔 ; 二是防止电机内腔的灰尘进入轴承 室。 e 户外用 的电机，应在外盖处加甩水环，见下图。户 外电机轴承结构 示意图此外， 对密封有特殊要求时， 还可 以采用“气动密封”一将过压空气充入轴承室。润滑脂应 能抵御现场的腐蚀性介
12、质可采用一25。6 3号锂基脂或一40 200-|型高低温润滑脂。( 6) 不要选用伪劣轴承( 7) 不要使轴承受到意外的损伤轴承应加热用套筒推到轴 上。较大的电机应将转子两端同时吊起装端盖。特别2极 电机，气隙较大。若将一端的轴承、端盖先装好 ( 有些厂家 图省事，经常是先装好一端 ) ，转子靠定子铁心内径支撑， 则转子呈倾斜状态。除可调心的调心球轴承及调心滚子轴承 外，在弯矩作用下的轴承均要受到损伤。较大的电机运输 时，装车时最好让电机轴线与车行方向垂直，以免急刹车时 啃伤轴承。大、中型电机出厂时最好加设使转子轴向固定 的装置。( 8) 不要使轴承内，外盖与轴相擦采取以下措施可以减少或避免内、外盖与轴相擦的故障适当提高轴承内、外盖同轴 度及内孔的加工精度，可以将间隙略微放大一点点。对于 隔爆型电机，隔爆等级满足实际要求即可，隔爆等级切勿攀高，以免轴贯穿处间隙过小，增加内盖与轴相擦的或然率。以上是滚动轴承在轴承结构设计时为避免或减少故障，提高质量应采取的“八不要”措施。来源 | 玩转电机设计
