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”

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来源 |  玩转电机设计


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:

转子强度分析


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。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,还要尽量让它远离热源

—定、转子绕组。

①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。

②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。

③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) 。

b. 润滑脂的牌号要能胜任电机的转速及使用环境。

c. 加脂量要适当。

④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;

c. 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 70℃ ~ 75℃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①、③与加工的关系较密切) :

①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。

②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。

③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。

①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):

②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

①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”—将过压空气充入轴承室。

②润滑脂应能抵御现场的腐蚀性介质

可采用 -25℃,3 号锂基脂或 - 40℃,200-Ⅰ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

①轴承应加热用套筒推到轴上。

②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。

③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。

④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

①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。

②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。

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