最近有工程师提问微电机轴承选型的困惑:进行轴承寿命校核计算,结果都超过一百万小时。这样的话轴承的选型寿命校核计算就没有意义了。而且对于微电机或者说分马力电机,轴承的选型应该有哪些注意事项呢?
普通中小型电机的选型原则在这类小电机中变得“似乎有点问题”。如果对电机轴承应用技术有足够的认识的话,这些问题本质上是一致的。
鉴于工程师们普遍存在的这样的疑惑,我们梳理一下微电机轴承选型要点(本文仅针对滚动轴承进行介绍)。
1、微电机轴承选择总体原则
微电机轴承选择的基本原则与普通电机实质上是一样的,只不过由于电机非常小,轴承的负荷也非常小,切工作环境状态与普通工业电机有较大的差异,因此会看起来不同。
总体上,微电机轴承选型依然需要满足如下一些基本原则:
①轴承尺寸满足设备选择的基本要求
②轴承运行寿命达到预期
③满足设备的噪声要求。
下面我们针对微电机与普通工业电机的不同,在这几个方面进行介绍。
2、轴承尺寸需要满足设备选择的要求
微电机一般用在家用电器、机器人等领域,有时候是普通三相电机、单相电机或者是伺服电机。由于设计设备时候有一定的尺寸要求,因此轴承外形尺寸往往受限。同时,由于轴承尺寸与设备尺寸的设计所限,有时候在考虑轴承尺寸的时候也要考虑系统的刚度等。
比如常见的一个问题,由于尺寸非常有限,而轴承体积很小,貌似受力不大,有时候就会选用非常薄壁的轴承室进行支撑。在选择轴承支撑的时候,除了考虑强度以外,支撑的挠性变形也需要考虑进去,避免影响的使用。(在微电机中,很多时候这些问题最后都是从轴承噪声上表现出来的。)
3、满足轴承寿命预期
在一般的工业电机中,寿命计算,往往是以疲劳作为判断的依据。因此,寿命计算都是在校核轴承的基本额定疲劳寿命。
但是在微电机领域,电机轴受力都很小,轴承受力也很小;因此,轴承的运行寿命几乎很难出现达不到理论计算寿命的情况。那也不是说轴承就能无限的运行下去,如果足够了解轴承的应用技术,就会了解,轴承的寿命校核,除了轴承的基本额定疲劳寿命,还要考虑其他因素。
首先,轴承的最小负荷。对于滚动轴承而言,轴承正常运行所需要的最小负荷如果不能满足,轴承会因为滑动摩擦太多而提早失效。因此,校核轴承的最小负荷是非常必要的。
第二,轴承的润滑寿命。上面说过,在微电机中,轴承基本不会运行到疲劳失效,但是很容易由于润滑不当出现磨损,而导致失效。因此,考虑轴承的润滑,包括润滑的选择和润滑寿命的计算,也是非常必要的。
延伸阅读:需要指出的是,有时候润滑失效会以轴承噪声的形式表现出来。但是由于导致噪声的原因很多,在实际工况中,很难将噪声与润滑意义匹配。
注意:在对微电机进行轴承润滑校核时,不能使用工业电机常用的70℃作为基准温度。家用电器、机器人等应用中,应该使用实际环境温度。
第三,轴承的保持架以及密封件。小轴承有时候会使用尼龙保持架,但是尼龙保持架有一定的使用温度限制,超过这个温度范围保持架寿命会缩短。除了保持架以外,如果使用具有橡胶密封的轴承,密封件的温度范围要求也十分重要,需要纳入考虑。
3、满足设备噪声要求
微电机经常被用于家用设备、小风机、小型电器设备、以及机器人等领域,这些设备多数使用在生活环境里,由于对环境噪声有特别高的要求,因此生产商对电机轴承的噪声也格外关注。
影响微电机轴承噪声的因素很多。一般来说,在微电机中轴承卡死、烧毁的几率远远低于噪声出现异常。尤其在产品出厂检验的时候,多数都是因为噪声超标导致产品不合格。
也就是说,轴承的很多问题都已经由噪声的形式表现出来,而这些问题很多,因此排查起来也具有相当的难度。不过也并非无迹可寻,除了安装工艺等的影响,在设计选型上如果关注以下几点,则可以大大的减少不当噪声的发生:
①轴承相关支持部件的尺寸、精度。包括轴、轴承室公差配合选择,形状位置公差。
②轴承的润滑选择。对于家用电器类轴承润滑选择的基准温度选择实际运行的温度。避免由润滑黏度引起的额外轴承噪声。
③轴承相关零部件的声学特性。包括轴承室、机壳的刚度和强度特性,以及考虑这些参数是否对声音的放大和传播起作用。举个例子,我们曾经遇到将电机定子设计为钟形,一端与轴承室、轴承和轴相连,另一端为敞开开口。这种结构的定子机壳如果很薄,那就变成了一个声音放大器,造成了噪声的传播。
除了上述提到的三个设计因素,还有很多其他角度需要关注,以减少轴承噪声,或者是轴承表现出来的噪声。例如:轴承洁净度、轴承的加工精度,以及轴承最小负荷是否满足、轴承安装工艺是否恰当、轴承储运是否得当等等。
总而言之,本质上,微电机轴承选型与普通工业电机轴承选型并无差异,只是关注点和侧重点不同。我们不能简单的把在普通工业电机轴承选型上的原则直接拿来引用。本文受篇幅所限,不可能详尽展开,欢迎提出你关注的问题,我们可以具体问题具体分析。