[科普中国]-高速电机

高速电机通常是指转速超过10000r/min的电机。它们因为转速高，体积远小于功率普通的电机，与原动机相连，取消了传统的减速机构，高速电机转动惯量小等原因，所以具有电机功率密度高，可以有效的节约材料，传动效率高，噪音小，动态响应快等优点。

历史进程高速加工技术越来越受到人们的关注，它不仅可获得更大的生产率，而且还可获得很高的加工质量，并可降低生产成本，因而被认为是21世纪最有发展前途的先进制造技术之一。1

在先进工业国家，此项技术已广泛应用于航空、航天及模具行业。在近五年中，我国的该项技术也取得了长足的进步。是实现高速切削的前提条件。

高速机床与虚拟轴机床均为机床突破性的重大变革。无论是普通数控机床还是虚拟轴机床，实现高速化的关键部件仍是主轴单元。1

主轴高速化常用dn值(dn值是指主轴轴承的平均直径(mm)与主轴的极限转速(r/min)的乘积)来衡量，高速主轴常是指dn值在1.0×106以上的主轴。随着轴承技术、润滑技术的发展，主轴的转速在逐年提高。在资料显示，在80年代，主轴轴承在脂润滑条件下的dn值最多只能达到0.5×106，但当油气润滑装置开发出来以后，dn值迅速提高到1.0×106，采用角接触陶瓷球轴承后，主轴轴承的dn值进一步提高到2.0×106。1

到90年代，采用新的润滑方式——喷射润滑，使主轴的dn值达到3.0×106。对于转速在10000r/min以上的主轴单元，通过皮带或者联轴器来驱动已不再合适，较合理的方式是采用内装电机直接驱动，即将电机的转子直接安装在主轴上，定子安装在主轴套筒里，做成所谓电主轴的形式。

该电主轴具有结构紧凑、易于平衡、传动较率高等优点，是高速1主轴理想的结构。电主轴的性能除了受轴承及其润滑技术影响较大以外，还受许多因素的影响，其中包括轴承预紧力的控制、内装电机的发热与冷却、主轴的动平衡、轴上零件的连接等。1

此外，主轴轴端的设计也是高速电主轴不容忽视的问题。 电主轴轴承的选择及其预紧技术用在高速主轴单元上的轴承主要有角接触球轴承、磁悬浮轴承、水基动静压轴承、空气动静压轴承等。1

磁悬浮轴承由于价格昂贵，控制系统复杂，发热问题难以解决，因而还无法在高速主轴单元上推广应用。1

水基静压轴承是国内较热门的研究课题之一，它是利用水具有热容量较大、轴承温升较小的特点，部分解决了普通动、静压轴承发热严重的问题，主要用在低速重载场合。1

空气动静压轴承径向刚度低并有冲击，但高速性能好，一般用在超高速、轻载、精密主轴上。1

角接触球轴承dn值在2.0×106以下的高速主轴单元中应用，无论是速度极限、承载能力、刚度、精度等各方面均能很好地满足要求并已标准化，价格低廉，角接触球轴承还可通过以下方法来提高性能。1

高速电机的合理润滑主轴轴承常见的润滑方式有脂润滑、油雾润滑、油气润滑、喷射润滑及环下润滑等。

脂润滑不需任何设备，是低速主轴普遍采用的润滑方式。dn值在1.0×106以上的主轴，多采用油润滑的方式.

油雾润滑是将润滑油(如透平油)经压力空气雾化后对轴承进行润滑的。这种方式实现容易，设备简单，油雾既有润滑功能，又能起到冷却轴承的作用，但油雾不易回收，对环境污染严重，故逐渐被新型的油气润滑方式所取代。2

油气润滑是将少量的润滑油不经雾化而直接由压缩空气定时、定量地沿着专用的油气管道壁均匀地被带到轴承的润滑区。润滑油起润滑的作用，而压缩空气起推动润滑油运动及冷却轴承的作用。油气始终处于分离状态，这有利于润滑油的回收，而对环境却没有污染。实施油气润滑时，一般要求每个轴承都有单独的油气喷嘴，对轴承喷射处的位置有严格的要求，否则不易保证润滑效果，油气润滑的效果还受压缩空气流量和油气压力的影响。一般地讲，增大空气流量可以提高冷却效果，而提高油气压力，不仅可以提高冷却效果，而且还有助于润滑油到达润滑区，因此，提高油气压力有助于提高轴承的转速。2

实验表明，加大压力比采用常规压力进行油气润滑可使轴承的转速提高20%。喷射润滑是直接用高压润滑油对轴承进行润滑和冷却的，功率消耗较大，成本高，常用在dn值为2.5×106以上的超高速主轴上。

环下润滑是一种改进的润滑方式，分为环下油润滑和环下油气润滑。实施环下油或者油气润滑时，润滑油或油气从轴承的内圈喷入润滑区，在离心力的作用下润滑油更易于到达轴承润滑区，因而比普通的喷射润滑和油气润滑效果好，可进一步提高轴承的转速，如普通油气润滑，角接触陶瓷球轴承的dn值为2.0×106左右，采用加大油气压力的方法可将dn值提高到2.2×106，而采用环下油气润滑则可达到2.5×106。2

影响角接触球轴承高速性能的主要原因是高速下作用在滚珠上的离心力和陀螺力矩增大。

离心力增大会增加滚珠与滚道间的摩擦，而陀螺力矩增大则会使滚珠与滚道间产生滑动摩擦，使轴承摩擦发热加剧，因而降低轴承的寿命。

为了提高轴承的高速性能，常采用两种方法：2

一是减小滚球的直径，如采用已标准化的71900系列主轴轴承；

另一种则是采用新型的陶瓷(Si3N4)材料做滚珠，由于Si3N4陶瓷材料的密度仅为轴承钢的40%，因而这种轴承的高速性能明显高于全钢轴承。抑制振动及高速回转时滚珠公转和自转的滑动，提高轴的回转精度等，在主轴上使用的滚动轴承均需预紧。预紧的方式主要有恒位置预紧和恒力预紧。2

维修方法对于高速电机，用维修普通电机的一般方法维修，未必能修好，修好后，未必能长时间使用。根据国内外实践经验。介绍一下转速为20000RPM 高速电机与一般低速电机不同的维修方法。3

拆卸电枢观察电机运转时碳刷与换向器之间是否产生火花，出现火花的程度，(1)是无任何火花。说明碳刷与换向器都正常，无需修理；(2)只是有2～4个极小火花。这时仔细观察换向器表面若是平整的。大多数情况可不必修理；(3)除r有4个以F的极小火花，另有1～3个大火花，则不必拆卸电枢，只需用砂纸磨碳刷换向器；(4)如果出现4个上的大火花，则需要用砂纸磨换向器，甚至要认真地将换向器进行车加这时必须把碳刷与电枢拆卸下来。当然一巨换向器被加工后，就一定要换碳刷磨碳刷。3

拆卸方法因为在拆卸端盖与电枢时，振动会把碳刷损坏，所 应首先把碳刷从碳刷糟中取出。又固为两个碳 稽与挟向器的夹角未必相同，为确保在安装时能恢复原样，左右碳刷不会装反，必须在取出碳刷之前。给左右碳刷做好记号。另外切记不要碰坏碳 与换向器的接触面。3

高速电机的一端一般有一个散热风痢，在另一端也许会有一个测转速用的磁钢或测速环在拆卸散热风扇叶与磁钢或测速环时一定要小心翼翼，不能把风扇的崩叶、测速磁钢碰坏。其次要在风扇轴套或在磁钢轴套与轴之间也傲一个记号，以便修理完毕后可以按原来的标记位置安装 因为高速电机的动平衡试验是带着扇叶或测速环(测速磁钢)作的，所以组装时，必须按拆卸时的记号组装 这一点在一般电机修理中是无关紧要的小事，I面在高速电机的修理中可事关大局。因为一旦损坏测速环或风扇片，或段有按记号组装，即使其它部分修理得很好。组装之后，在高速运行时 也可能会引起整机的不平衡振动。3

拆卸高速电机时不可用锤子、冲子⋯ 等硬敲硬撬要用拉马，使用拉马时要注意：拉吗的顶尖 要直接顶在顶尖眼上，要在拉马顶尖与顶尖眼之同垫一保护垫，其目的是保护电枢轴上的顶尖眼避免损坏。3

固定端盖在拆卸之前一要在七下端盖上做上记号。以便修理后按原样装上。拆卸电枢上的轴承应小心清洗，清洗时用干净的航宅汽油，待汽油干后再用7014(或7018)轴承润滑脂填满轴承室(高速电机的轴承不能用普通黄油、二硫化钼)．放在干净的地方待用；如果换向器的表面平整而且有一层紫色的光泽，这是氧化层可以保护换向器的表面，用揉软的毛刷除去表面的粉末即可。3

具体事例分析方案简述高速电机一般应用于数控雕刻机、精密磨床及高速离心设备等设备，以数控雕刻机为例来阐述S350变频器在高速电机上的应用。3

工艺要求主轴系统是数控雕刻机的重要组成部件，其性能对数控雕刻机整机的性能有着至关重要的影响。主轴电机多采用两极高速无刷水冷电机，噪音小、切割力度大，运行转速一般在0～24000RPM，对应的变频器运行频率为0～400HZ。因此系统要求稳速精度高、低速时力矩大、加减速时间短、高速时温升低等来满足高生产效率与加工品质。3

将S350控制方式选择为V/F控制模式，用DCM端子来接收数控系统模拟量信号（0~10V），MI1端子来控制起停，通过MI2~MI4端子来设置生产需要的七段速。MI5端子作为故障输入。3

根据现场生产要求，将参数F0.18和F0.19设置成2秒（加减速时间），因运行转速较高，变频器需带制动单元。系统在50HZ，100HZ，200HZ，250HZ，300HZ，350HZ，400HZ这七段速度频率下，运行稳定，400HZ（对应24000RPM）时温升低，可以有效延长电机的寿命。3

七段速参考端子设定：

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

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

国外对高速电机及相关技术的研究比较早，已经取得了很多的研究成果，而且随着新材料的不断出现，加工工艺的不断改进，技术必将以更快的速度向前推进。国内对高速电机的研究还不是很多，基本上限于功率较小的发电机或电动机。3

应用前景高速电机在以下各方面具有广阔的应用前景：

（1） 高速电机在空调或冰箱的离心式压缩机等各种场合得到应用，而随着科学技术的发展，特殊要求越来越多，它的应用也会越来越广泛。1

（2） 随着汽车工业混合动力汽车的发展，体积小，重量轻的高速发电机将会得到充分的重视，并在混合动力汽车，航空，船舶等领域具有良好的应用前景。1

（3）由燃气轮机驱动的高速发电机体积小，具有较高的机动性，可用于一些重要设施的备用电源，也可作为独立电源或小型电站，弥补集中式供电的不足，具有重要的实用价值。1

由于高速电机转子上的离心力与线速度的平方成正比，高速电机要求具有很高的机械强度；又由于高速电机频率高，铁耗大，在设计时应适当降低铁心中的磁密，采用低损耗的铁心材料。

轴承的研究也是与高速电机密不可分的内容，因为普通轴承难以承受在高速系统中承受长时间运行，必须采用新材料和新结构的轴承。1

高速电机可以有多种结构形式，如感应电机、永磁电机和磁阻电机等。电机在高速旋转时的离心力很大，当线速度达到200m/s以上时，常规叠片转子难以承受高速旋转产生的离心力，需要采用特殊的高强度叠片或实心转子。1

在转子动力学发展的近百年的历史中，出现过很多计算方法，现代的计算方法主要可以分为两大类：传递矩阵法和有限元法。

有限元法的运动方程表达方式简洁，规范，在求解转子动力学问题或转子和周围结构一起组成的复杂机械系统的问题时，有很多优点。有限元法对复杂转子系统剖分庞大，计算结果比传递矩阵法准确，然而计算耗时长，占用内存大。现代计算机技术的发展，给有限元法提供了良好的硬件技术。1

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所