高 俊，韓雪巖，李宏浩，王世偉

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 國(guó)家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心, 沈陽(yáng) 110870)

0 引 言

振動(dòng)和噪聲是衡量一臺(tái)電機(jī)性能的重要指標(biāo)，直接關(guān)系到電機(jī)的質(zhì)量和使用壽命[1]。引起電機(jī)噪聲的因素很多，其中機(jī)械噪聲產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜。機(jī)械噪聲主要由定子異常、轉(zhuǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)噪聲、旋轉(zhuǎn)與非旋轉(zhuǎn)部件相干涉產(chǎn)生的噪聲、機(jī)械不平衡產(chǎn)生的噪聲以及端蓋等部件受軸承激振產(chǎn)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(qiáng)度等優(yōu)越性能使之應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨著加工技術(shù)的不斷進(jìn)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(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，其中就包括永磁電機(jī)行業(yè)。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)永磁電機(jī)振動(dòng)噪聲的研究較多，但對(duì)陶瓷軸承在永磁電機(jī)中的應(yīng)用的相關(guān)研究較少。文獻(xiàn)[4]通過(guò)鐵心表面開(kāi)槽等優(yōu)化手段可以減小齒槽轉(zhuǎn)矩，減小電機(jī)振動(dòng)噪聲。文獻(xiàn)[5]通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)子隔磁橋結(jié)構(gòu)進(jìn)而改變電機(jī)定子齒部的電磁激振力，降低電機(jī)的振動(dòng)噪聲。文獻(xiàn)[6]應(yīng)用有限元法與解析公式計(jì)算分析了齒削角對(duì)電機(jī)電磁振動(dòng)噪聲所帶來(lái)的影響。文獻(xiàn)[7]通過(guò)采用雙層轉(zhuǎn)子鐵心，調(diào)整繞組排布使電機(jī)氣隙磁場(chǎng)更正弦性，以降低電機(jī)電磁振動(dòng)噪聲文獻(xiàn)[8]對(duì)混合陶瓷球軸承在微型發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行了試驗(yàn)研究，利用有限元計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的辦法, 確定了轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速范圍。文獻(xiàn)[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(jī)理，并利用金剛石油石對(duì)氧化鋯軸承溝道進(jìn)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(yīng)力對(duì)氧化鋯軸承溝道表面質(zhì)量的影響。

為了驗(yàn)證陶瓷軸承在永磁電機(jī)中應(yīng)用能取得良好的效果，本文對(duì)兩臺(tái)50 kW分別安裝陶瓷軸承和金屬軸承永磁電機(jī)及兩臺(tái)1 kW分別安裝陶瓷軸承和金屬軸承永磁電機(jī)進(jìn)行了機(jī)械噪聲及空載損耗的測(cè)試，以驗(yàn)證陶瓷軸承在減小振動(dòng)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(shí)驗(yàn)用的全陶瓷軸承的滾動(dòng)體及內(nèi)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(duì)比見(jiàn)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(qiáng)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(jī)中的應(yīng)用

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

表2所示為1 kW兩臺(tái)永磁電機(jī)的空載損耗測(cè)試結(jié)果。由表可知，電機(jī)采用陶瓷軸承比普通軸承的空載損耗降低了18.6%。

電機(jī)噪聲的測(cè)試方法按照GB/T10069.1-2006 規(guī)定進(jìn)行。因?yàn)? kW永磁電機(jī)軸中心高為225 mm以下且長(zhǎng)度小于1 m，因此采用半球測(cè)試面。測(cè)試半徑為1 m，測(cè)點(diǎn)為五點(diǎn)，在電機(jī)的前后左右四個(gè)相互垂直的方向上及電機(jī)中心上方配置，四周測(cè)點(diǎn)的高度為0.25 m，上方測(cè)點(diǎn)的高度為距反射地面1 m。

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

圖1 1kW永磁電機(jī)噪聲的測(cè)試

圖2 1kW普通軸承噪聲時(shí)域波形

圖3 1kW陶瓷軸承噪聲時(shí)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(dòng)試驗(yàn)按照GB10068-2008測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，測(cè)點(diǎn)數(shù)為6點(diǎn)。在電機(jī)兩端，按軸向、垂直徑向和水平徑向各測(cè)一點(diǎn)。1 kW安裝普通軸承與陶瓷軸承永磁電機(jī)的振動(dòng)對(duì)比如圖6～圖8所示。表3中所列為不同測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)平均值。由表3可知，電機(jī)采用普通軸承的最大振動(dòng)速度為0.704 mm/s，最大振動(dòng)加速度為1.65 m/s2，最大振動(dòng)位移為9 μm；電機(jī)采用全陶瓷軸承的最大振動(dòng)速度為0.557 mm/s，最大振動(dòng)加速度為1.54 m/s2，最大振動(dòng)位移為7.88 μm，分別減小了20.9%、6.7%和12.4%。

表3 1kW電機(jī)振動(dòng)平均值

圖6 1kW永磁電機(jī)振動(dòng)速度對(duì)比

圖7 1kW永磁電機(jī)振動(dòng)加速度對(duì)比

圖8 1kW永磁電機(jī)振動(dòng)位移對(duì)比

同樣對(duì)50 kW的兩臺(tái)安裝普通軸承與陶瓷軸承永磁電機(jī)進(jìn)行了測(cè)試研究。表4所示為兩臺(tái)永磁電機(jī)的空載損耗試驗(yàn)結(jié)果，由表可知，安裝普通軸承電機(jī)的空載損耗為3155.5 W，安裝陶瓷軸承電機(jī)的空載損耗為2616.8 W，降低了17.1%。

表4 50kW電機(jī)空載損耗的測(cè)定

圖9為50 kW安裝普通軸承與陶瓷軸承永磁電機(jī)的不同位置噪聲的測(cè)試結(jié)果。由圖可知，電機(jī)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(jī)噪聲的測(cè)試

圖10～圖12為50 kW安裝普通軸承與陶瓷軸承永磁電機(jī)不同位置的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，由圖可知，電機(jī)采用普通軸承的最大振動(dòng)速度為1.759 mm/s，最大振動(dòng)加速度為2.81 m/s2，最大振動(dòng)位移20.39 μm；電機(jī)采用陶瓷軸承的最大振動(dòng)速1.635 mm/s1，最大振動(dòng)加速度為2.56 m/s2，最大振動(dòng)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(jī)振動(dòng)速度對(duì)比

圖11 50 kW永磁電機(jī)振動(dòng)加速度對(duì)比

圖12 50 kW永磁電機(jī)振動(dòng)位移對(duì)比

3 結(jié) 語(yǔ)

陶瓷軸承在永磁電機(jī)中具有良好的應(yīng)用價(jià)值，本文對(duì)安裝陶瓷軸承永磁電機(jī)進(jìn)行了振動(dòng)噪聲及空載損耗的測(cè)試研究，主要研究結(jié)論如下：

(1)使安裝陶瓷軸承永磁電機(jī)的噪聲可較普通軸承降低約0.5%。

(2)由于陶瓷材料獨(dú)具的無(wú)油自潤(rùn)滑特性，可克服普通金屬軸承無(wú)法實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑的問(wèn)題，從而減小振動(dòng)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證得出，安裝陶瓷軸承永磁電機(jī)的最大振動(dòng)速度、最大振動(dòng)加速度、最大振動(dòng)位移較安裝普通軸承電機(jī)可降低7%～20%。

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