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”

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。