安裝陶瓷軸承永磁電機振動噪聲及空載損耗的測試

高 俊，韓雪巖，李宏浩，王世偉

(沈陽工業(yè)大學 國家稀土永磁電機工程技術研究中心, 沈陽 110870)

0 引 言

振動和噪聲是衡量一臺電機性能的重要指標，直接關系到電機的質量和使用壽命[1]。引起電機噪聲的因素很多，其中機械噪聲產生的原因比較復雜。機械噪聲主要由定子異常、轉子異常與不平衡、氣隙不均勻、軸承異常等原因引起，包括軸承運轉噪聲、旋轉與非旋轉部件相干涉產生的噪聲、機械不平衡產生的噪聲以及端蓋等部件受軸承激振產生的共振噪聲等, 其中軸承噪聲所占比重最大[2-3]。

陶瓷軸承作為一種新型部件，具有低密度、抗高溫、超強度等優(yōu)越性能使之應用越來越廣泛。隨著加工技術的不斷進步，工藝水平的日益提高，陶瓷軸承的成本不斷下降，已經(jīng)逐步推廣到國民經(jīng)濟各個工業(yè)領域，其中就包括永磁電機行業(yè)。

目前國內外對永磁電機振動噪聲的研究較多，但對陶瓷軸承在永磁電機中的應用的相關研究較少。文獻[4]通過鐵心表面開槽等優(yōu)化手段可以減小齒槽轉矩，減小電機振動噪聲。文獻[5]通過優(yōu)化轉子隔磁橋結構進而改變電機定子齒部的電磁激振力，降低電機的振動噪聲。文獻[6]應用有限元法與解析公式計算分析了齒削角對電機電磁振動噪聲所帶來的影響。文獻[7]通過采用雙層轉子鐵心，調整繞組排布使電機氣隙磁場更正弦性，以降低電機電磁振動噪聲文獻[8]對混合陶瓷球軸承在微型發(fā)動機中的應用進行了試驗研究，利用有限元計算與試驗驗證相結合的辦法, 確定了轉子的臨界轉速范圍。文獻[9]建立了金剛石超精加工氧化鋯陶瓷軸承溝道有限元模型，分析其加工機理，并利用金剛石油石對氧化鋯軸承溝道進行超精加工，獲取超精加工后溝道表面粗糙度及表面形貌，研究超精加工應力對氧化鋯軸承溝道表面質量的影響。

為了驗證陶瓷軸承在永磁電機中應用能取得良好的效果，本文對兩臺50 kW分別安裝陶瓷軸承和金屬軸承永磁電機及兩臺1 kW分別安裝陶瓷軸承和金屬軸承永磁電機進行了機械噪聲及空載損耗的測試，以驗證陶瓷軸承在減小振動噪聲及降低損耗方面的作用。

1 陶瓷軸承與普通軸承基本性能

本實驗用的全陶瓷軸承的滾動體及內外圈采用全陶瓷材料氧化鋯(ZrO2),保持架采用聚四氟乙烯；普通軸承的材料為軸承鋼(GCr15)，基本性能對比見表1。

表1 陶瓷軸承和普通軸承的基本性能

由表1可知,陶瓷的密度要比普通軸承低23%，即同體積下的重量比軸承鋼輕23%；陶瓷軸承的耐溫上限是比普通軸承的6.7倍；且其耐腐蝕性、絕緣性均比軸承鋼要好；在強度及抗沖擊性方面陶瓷軸承較普通軸承差。

2 陶瓷軸承在永磁電機中的應用

為了研究陶瓷軸承在永磁電機中的應用性能，本文制作了四臺永磁電機，其中包括2臺1 kW分別安裝皮套軸承和全陶瓷軸承永磁電機和2臺50 kW分別安裝金屬軸承和混合球陶瓷軸承永磁發(fā)電機。分別對其進行了空載損耗試驗，振動試驗和噪聲試驗。

表2所示為1 kW兩臺永磁電機的空載損耗測試結果。由表可知，電機采用陶瓷軸承比普通軸承的空載損耗降低了18.6%。

電機噪聲的測試方法按照GB/T10069.1-2006 規(guī)定進行。因為1 kW永磁電機軸中心高為225 mm以下且長度小于1 m，因此采用半球測試面。測試半徑為1 m，測點為五點，在電機的前后左右四個相互垂直的方向上及電機中心上方配置，四周測點的高度為0.25 m，上方測點的高度為距反射地面1 m。

圖1所示為兩臺1 kW電機的不同位置噪聲的測試結果，圖2～5為兩種不同軸承噪聲頻域波形和時域波形。由圖1可知，采用金屬軸承電機的平均噪聲為63.9 dB(A)，采用陶瓷軸承電機的平均噪聲為61.7dB(A)，電機噪聲減小了2.2 dB(A)。

圖1 1kW永磁電機噪聲的測試

圖2 1kW普通軸承噪聲時域波形

圖3 1kW陶瓷軸承噪聲時域波形

圖4 1kW普通軸承噪聲頻域波形

圖5 1kW陶瓷軸承噪聲頻域波形

振動試驗按照GB10068-2008測試標準進行，測點數(shù)為6點。在電機兩端，按軸向、垂直徑向和水平徑向各測一點。1 kW安裝普通軸承與陶瓷軸承永磁電機的振動對比如圖6～圖8所示。表3中所列為不同測試點的振動平均值。由表3可知，電機采用普通軸承的最大振動速度為0.704 mm/s，最大振動加速度為1.65 m/s2，最大振動位移為9 μm；電機采用全陶瓷軸承的最大振動速度為0.557 mm/s，最大振動加速度為1.54 m/s2，最大振動位移為7.88 μm，分別減小了20.9%、6.7%和12.4%。

表3 1kW電機振動平均值

圖6 1kW永磁電機振動速度對比

圖7 1kW永磁電機振動加速度對比

圖8 1kW永磁電機振動位移對比

同樣對50 kW的兩臺安裝普通軸承與陶瓷軸承永磁電機進行了測試研究。表4所示為兩臺永磁電機的空載損耗試驗結果，由表可知，安裝普通軸承電機的空載損耗為3155.5 W，安裝陶瓷軸承電機的空載損耗為2616.8 W，降低了17.1%。

表4 50kW電機空載損耗的測定

圖9為50 kW安裝普通軸承與陶瓷軸承永磁電機的不同位置噪聲的測試結果。由圖可知，電機采用混陶瓷軸承比普通軸承的平均噪聲減小了2.8 dB(A)。

圖9 50kW電機噪聲的測試

圖10～圖12為50 kW安裝普通軸承與陶瓷軸承永磁電機不同位置的振動測試結果，由圖可知，電機采用普通軸承的最大振動速度為1.759 mm/s，最大振動加速度為2.81 m/s2，最大振動位移20.39 μm；電機采用陶瓷軸承的最大振動速1.635 mm/s1，最大振動加速度為2.56 m/s2，最大振動位移17.36 μm，分別減小了7.0%、8.9%和14.9%

圖10 50 kW永磁電機振動速度對比

圖11 50 kW永磁電機振動加速度對比

圖12 50 kW永磁電機振動位移對比

3 結 語

陶瓷軸承在永磁電機中具有良好的應用價值，本文對安裝陶瓷軸承永磁電機進行了振動噪聲及空載損耗的測試研究，主要研究結論如下：

(1)使安裝陶瓷軸承永磁電機的噪聲可較普通軸承降低約0.5%。

(2)由于陶瓷材料獨具的無油自潤滑特性，可克服普通金屬軸承無法實現(xiàn)潤滑的問題，從而減小振動。經(jīng)過試驗驗證得出，安裝陶瓷軸承永磁電機的最大振動速度、最大振動加速度、最大振動位移較安裝普通軸承電機可降低7%～20%。

(3)安裝陶瓷軸承永磁電機的空載損耗較安裝普通軸承永磁電機的空載損耗降低了約18%。