[科普中國]-高速電機

高速電機通常是指轉(zhuǎn)速超過10000r/min的電機。它們因為轉(zhuǎn)速高，體積遠小于功率普通的電機，與原動機相連，取消了傳統(tǒng)的減速機構(gòu)，高速電機轉(zhuǎn)動慣量小等原因，所以具有電機功率密度高，可以有效的節(jié)約材料，傳動效率高，噪音小，動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點。

歷史進程高速加工技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注，它不僅可獲得更大的生產(chǎn)率，而且還可獲得很高的加工質(zhì)量，并可降低生產(chǎn)成本，因而被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的先進制造技術(shù)之一。1

在先進工業(yè)國家，此項技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空、航天及模具行業(yè)。在近五年中，我國的該項技術(shù)也取得了長足的進步。是實現(xiàn)高速切削的前提條件。

高速機床與虛擬軸機床均為機床突破性的重大變革。無論是普通數(shù)控機床還是虛擬軸機床，實現(xiàn)高速化的關(guān)鍵部件仍是主軸單元。1

主軸高速化常用dn值(dn值是指主軸軸承的平均直徑(mm)與主軸的極限轉(zhuǎn)速(r/min)的乘積)來衡量，高速主軸常是指dn值在1.0×106以上的主軸。隨著軸承技術(shù)、潤滑技術(shù)的發(fā)展，主軸的轉(zhuǎn)速在逐年提高。在資料顯示，在80年代，主軸軸承在脂潤滑條件下的dn值最多只能達到0.5×106，但當(dāng)油氣潤滑裝置開發(fā)出來以后，dn值迅速提高到1.0×106，采用角接觸陶瓷球軸承后，主軸軸承的dn值進一步提高到2.0×106。1

到90年代，采用新的潤滑方式——噴射潤滑，使主軸的dn值達到3.0×106。對于轉(zhuǎn)速在10000r/min以上的主軸單元，通過皮帶或者聯(lián)軸器來驅(qū)動已不再合適，較合理的方式是采用內(nèi)裝電機直接驅(qū)動，即將電機的轉(zhuǎn)子直接安裝在主軸上，定子安裝在主軸套筒里，做成所謂電主軸的形式。

該電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于平衡、傳動較率高等優(yōu)點，是高速1主軸理想的結(jié)構(gòu)。電主軸的性能除了受軸承及其潤滑技術(shù)影響較大以外，還受許多因素的影響，其中包括軸承預(yù)緊力的控制、內(nèi)裝電機的發(fā)熱與冷卻、主軸的動平衡、軸上零件的連接等。1

此外，主軸軸端的設(shè)計也是高速電主軸不容忽視的問題。 電主軸軸承的選擇及其預(yù)緊技術(shù)用在高速主軸單元上的軸承主要有角接觸球軸承、磁懸浮軸承、水基動靜壓軸承、空氣動靜壓軸承等。1

磁懸浮軸承由于價格昂貴，控制系統(tǒng)復(fù)雜，發(fā)熱問題難以解決，因而還無法在高速主軸單元上推廣應(yīng)用。1

水基靜壓軸承是國內(nèi)較熱門的研究課題之一，它是利用水具有熱容量較大、軸承溫升較小的特點，部分解決了普通動、靜壓軸承發(fā)熱嚴(yán)重的問題，主要用在低速重載場合。1

空氣動靜壓軸承徑向剛度低并有沖擊，但高速性能好，一般用在超高速、輕載、精密主軸上。1

角接觸球軸承dn值在2.0×106以下的高速主軸單元中應(yīng)用，無論是速度極限、承載能力、剛度、精度等各方面均能很好地滿足要求并已標(biāo)準(zhǔn)化，價格低廉，角接觸球軸承還可通過以下方法來提高性能。1

高速電機的合理潤滑主軸軸承常見的潤滑方式有脂潤滑、油霧潤滑、油氣潤滑、噴射潤滑及環(huán)下潤滑等。

脂潤滑不需任何設(shè)備，是低速主軸普遍采用的潤滑方式。dn值在1.0×106以上的主軸，多采用油潤滑的方式.

油霧潤滑是將潤滑油(如透平油)經(jīng)壓力空氣霧化后對軸承進行潤滑的。這種方式實現(xiàn)容易，設(shè)備簡單，油霧既有潤滑功能，又能起到冷卻軸承的作用，但油霧不易回收，對環(huán)境污染嚴(yán)重，故逐漸被新型的油氣潤滑方式所取代。2

油氣潤滑是將少量的潤滑油不經(jīng)霧化而直接由壓縮空氣定時、定量地沿著專用的油氣管道壁均勻地被帶到軸承的潤滑區(qū)。潤滑油起潤滑的作用，而壓縮空氣起推動潤滑油運動及冷卻軸承的作用。油氣始終處于分離狀態(tài)，這有利于潤滑油的回收，而對環(huán)境卻沒有污染。實施油氣潤滑時，一般要求每個軸承都有單獨的油氣噴嘴，對軸承噴射處的位置有嚴(yán)格的要求，否則不易保證潤滑效果，油氣潤滑的效果還受壓縮空氣流量和油氣壓力的影響。一般地講，增大空氣流量可以提高冷卻效果，而提高油氣壓力，不僅可以提高冷卻效果，而且還有助于潤滑油到達潤滑區(qū)，因此，提高油氣壓力有助于提高軸承的轉(zhuǎn)速。2

實驗表明，加大壓力比采用常規(guī)壓力進行油氣潤滑可使軸承的轉(zhuǎn)速提高20%。噴射潤滑是直接用高壓潤滑油對軸承進行潤滑和冷卻的，功率消耗較大，成本高，常用在dn值為2.5×106以上的超高速主軸上。

環(huán)下潤滑是一種改進的潤滑方式，分為環(huán)下油潤滑和環(huán)下油氣潤滑。實施環(huán)下油或者油氣潤滑時，潤滑油或油氣從軸承的內(nèi)圈噴入潤滑區(qū)，在離心力的作用下潤滑油更易于到達軸承潤滑區(qū)，因而比普通的噴射潤滑和油氣潤滑效果好，可進一步提高軸承的轉(zhuǎn)速，如普通油氣潤滑，角接觸陶瓷球軸承的dn值為2.0×106左右，采用加大油氣壓力的方法可將dn值提高到2.2×106，而采用環(huán)下油氣潤滑則可達到2.5×106。2

影響角接觸球軸承高速性能的主要原因是高速下作用在滾珠上的離心力和陀螺力矩增大。

離心力增大會增加滾珠與滾道間的摩擦，而陀螺力矩增大則會使?jié)L珠與滾道間產(chǎn)生滑動摩擦，使軸承摩擦發(fā)熱加劇，因而降低軸承的壽命。

為了提高軸承的高速性能，常采用兩種方法：2

一是減小滾球的直徑，如采用已標(biāo)準(zhǔn)化的71900系列主軸軸承；

另一種則是采用新型的陶瓷(Si3N4)材料做滾珠，由于Si3N4陶瓷材料的密度僅為軸承鋼的40%，因而這種軸承的高速性能明顯高于全鋼軸承。抑制振動及高速回轉(zhuǎn)時滾珠公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的滑動，提高軸的回轉(zhuǎn)精度等，在主軸上使用的滾動軸承均需預(yù)緊。預(yù)緊的方式主要有恒位置預(yù)緊和恒力預(yù)緊。2

維修方法對于高速電機，用維修普通電機的一般方法維修，未必能修好，修好后，未必能長時間使用。根據(jù)國內(nèi)外實踐經(jīng)驗。介紹一下轉(zhuǎn)速為20000RPM 高速電機與一般低速電機不同的維修方法。3

拆卸電樞觀察電機運轉(zhuǎn)時碳刷與換向器之間是否產(chǎn)生火花，出現(xiàn)火花的程度，(1)是無任何火花。說明碳刷與換向器都正常，無需修理；(2)只是有2～4個極小火花。這時仔細(xì)觀察換向器表面若是平整的。大多數(shù)情況可不必修理；(3)除r有4個以F的極小火花，另有1～3個大火花，則不必拆卸電樞，只需用砂紙磨碳刷換向器；(4)如果出現(xiàn)4個上的大火花，則需要用砂紙磨換向器，甚至要認(rèn)真地將換向器進行車加這時必須把碳刷與電樞拆卸下來。當(dāng)然一巨換向器被加工后，就一定要換碳刷磨碳刷。3

拆卸方法因為在拆卸端蓋與電樞時，振動會把碳刷損壞，所 應(yīng)首先把碳刷從碳刷糟中取出。又固為兩個碳 稽與挾向器的夾角未必相同，為確保在安裝時能恢復(fù)原樣，左右碳刷不會裝反，必須在取出碳刷之前。給左右碳刷做好記號。另外切記不要碰壞碳 與換向器的接觸面。3

高速電機的一端一般有一個散熱風(fēng)痢，在另一端也許會有一個測轉(zhuǎn)速用的磁鋼或測速環(huán)在拆卸散熱風(fēng)扇葉與磁鋼或測速環(huán)時一定要小心翼翼，不能把風(fēng)扇的崩葉、測速磁鋼碰壞。其次要在風(fēng)扇軸套或在磁鋼軸套與軸之間也傲一個記號，以便修理完畢后可以按原來的標(biāo)記位置安裝 因為高速電機的動平衡試驗是帶著扇葉或測速環(huán)(測速磁鋼)作的，所以組裝時，必須按拆卸時的記號組裝 這一點在一般電機修理中是無關(guān)緊要的小事，I面在高速電機的修理中可事關(guān)大局。因為一旦損壞測速環(huán)或風(fēng)扇片，或段有按記號組裝，即使其它部分修理得很好。組裝之后，在高速運行時 也可能會引起整機的不平衡振動。3

拆卸高速電機時不可用錘子、沖子? 等硬敲硬撬要用拉馬，使用拉馬時要注意：拉嗎的頂尖 要直接頂在頂尖眼上，要在拉馬頂尖與頂尖眼之同墊一保護墊，其目的是保護電樞軸上的頂尖眼避免損壞。3

固定端蓋在拆卸之前一要在七下端蓋上做上記號。以便修理后按原樣裝上。拆卸電樞上的軸承應(yīng)小心清洗，清洗時用干凈的航宅汽油，待汽油干后再用7014(或7018)軸承潤滑脂填滿軸承室(高速電機的軸承不能用普通黃油、二硫化鉬)．放在干凈的地方待用；如果換向器的表面平整而且有一層紫色的光澤，這是氧化層可以保護換向器的表面，用揉軟的毛刷除去表面的粉末即可。3

具體事例分析方案簡述高速電機一般應(yīng)用于數(shù)控雕刻機、精密磨床及高速離心設(shè)備等設(shè)備，以數(shù)控雕刻機為例來闡述S350變頻器在高速電機上的應(yīng)用。3

工藝要求主軸系統(tǒng)是數(shù)控雕刻機的重要組成部件，其性能對數(shù)控雕刻機整機的性能有著至關(guān)重要的影響。主軸電機多采用兩極高速無刷水冷電機，噪音小、切割力度大，運行轉(zhuǎn)速一般在0～24000RPM，對應(yīng)的變頻器運行頻率為0～400HZ。因此系統(tǒng)要求穩(wěn)速精度高、低速時力矩大、加減速時間短、高速時溫升低等來滿足高生產(chǎn)效率與加工品質(zhì)。3

將S350控制方式選擇為V/F控制模式，用DCM端子來接收數(shù)控系統(tǒng)模擬量信號（0~10V），MI1端子來控制起停，通過MI2~MI4端子來設(shè)置生產(chǎn)需要的七段速。MI5端子作為故障輸入。3

根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)要求，將參數(shù)F0.18和F0.19設(shè)置成2秒（加減速時間），因運行轉(zhuǎn)速較高，變頻器需帶制動單元。系統(tǒng)在50HZ，100HZ，200HZ，250HZ，300HZ，350HZ，400HZ這七段速度頻率下，運行穩(wěn)定，400HZ（對應(yīng)24000RPM）時溫升低，可以有效延長電機的壽命。3

七段速參考端子設(shè)定：

MI2: 50HZ MI3: 100HZ MI3+MI2: 200HZ MI4: 250HZ

MI2+MI4: 300HZ MI3+MI4: 350HZ MI2+ MI3+MI4: 400HZ3

國外對高速電機及相關(guān)技術(shù)的研究比較早，已經(jīng)取得了很多的研究成果，而且隨著新材料的不斷出現(xiàn)，加工工藝的不斷改進，技術(shù)必將以更快的速度向前推進。國內(nèi)對高速電機的研究還不是很多，基本上限于功率較小的發(fā)電機或電動機。3

應(yīng)用前景高速電機在以下各方面具有廣闊的應(yīng)用前景：

（1） 高速電機在空調(diào)或冰箱的離心式壓縮機等各種場合得到應(yīng)用，而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特殊要求越來越多，它的應(yīng)用也會越來越廣泛。1

（2） 隨著汽車工業(yè)混合動力汽車的發(fā)展，體積小，重量輕的高速發(fā)電機將會得到充分的重視，并在混合動力汽車，航空，船舶等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。1

（3）由燃?xì)廨啓C驅(qū)動的高速發(fā)電機體積小，具有較高的機動性，可用于一些重要設(shè)施的備用電源，也可作為獨立電源或小型電站，彌補集中式供電的不足，具有重要的實用價值。1

由于高速電機轉(zhuǎn)子上的離心力與線速度的平方成正比，高速電機要求具有很高的機械強度；又由于高速電機頻率高，鐵耗大，在設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)降低鐵心中的磁密，采用低損耗的鐵心材料。

軸承的研究也是與高速電機密不可分的內(nèi)容，因為普通軸承難以承受在高速系統(tǒng)中承受長時間運行，必須采用新材料和新結(jié)構(gòu)的軸承。1

高速電機可以有多種結(jié)構(gòu)形式，如感應(yīng)電機、永磁電機和磁阻電機等。電機在高速旋轉(zhuǎn)時的離心力很大，當(dāng)線速度達到200m/s以上時，常規(guī)疊片轉(zhuǎn)子難以承受高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，需要采用特殊的高強度疊片或?qū)嵭霓D(zhuǎn)子。1

在轉(zhuǎn)子動力學(xué)發(fā)展的近百年的歷史中，出現(xiàn)過很多計算方法，現(xiàn)代的計算方法主要可以分為兩大類：傳遞矩陣法和有限元法。

有限元法的運動方程表達方式簡潔，規(guī)范，在求解轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題或轉(zhuǎn)子和周圍結(jié)構(gòu)一起組成的復(fù)雜機械系統(tǒng)的問題時，有很多優(yōu)點。有限元法對復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)剖分龐大，計算結(jié)果比傳遞矩陣法準(zhǔn)確，然而計算耗時長，占用內(nèi)存大?，F(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展，給有限元法提供了良好的硬件技術(shù)。1

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所