迫乖乙再才宜制应用２ｏｏ８，３５（１０） 工艺与材料 ＥＭＣＡ 电动机转子动平衡工艺的设计 万军红 （上海电机学院，上海摘２００２４０） 要：对电动机转子进行动平衡检测和校正是降低电动机运行噪声的有效方法。在转子动平衡校正 工艺设计中，确定电动机转子总的剩余不平衡量和将总的剩余不平衡量分配到若干个校正平面是转子动平 衡工艺设计的关键。 关键词：转子动平衡；动平衡精度；允许剩余不平衡量 中图分类号：ＴＭ３０３．３文献标识码：Ａ文章编号：１６７３－６５４０（２００８）１０－００５５－０５ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｂａｌａｎｃｅ ｆｏｒ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｗｉｐｅｒ Ｍｏｔｏｒ Ｒｏｔｏｒ ＷＡＮ Ｊｕｎ—ｈｏｎｇ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｄｉａｎｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃａ．Ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｒｏｔｏｒ’Ｓ ｓｕｂ—ａｓｓｅｍｂｌｙ ａｒｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄｓ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｏｆ ｒｕｎｎｉｎｇ ｍｏｔｏｒ．Ｉｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ａｎｄ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ，ｃｏｎｆｉｒｍｉｎｇ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ ｔｏ ｓｅｖｅｒａｌ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｐｌａｎｅｓ ｎｅｅｄ ｔｏ ｂｅ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ａｒｅ ｋｅｙｓ ｉｎ ｍｏｔｏｒ’ｓ ｒｏｔｏｒ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｙｎａｍｉｃ ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ ｒｏｔｏｒ；ｂａｌａｎｃｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ；ｓｐｅｃｉｉｃａｔｉｆｏｎ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｕｎｂａｌａｎｃｅ ０ 引 言 电动机运行噪声主要由机械噪声、电磁噪声 支承轴承的位置设置为转子动平衡校正的支承 面。根据电动机转子的结构特点，可将其看作为 刚性转子。对于刚性转子的任意不平衡量的分 布，只要取两个校正面进行动平衡校正，就能将转 子的剩余不平衡量校正到小于或等于转子的允许 不平衡量。按照电动机转子的设计和制造工艺特 点，可将两个校正面Ｕ 和Ｕ 设置在转子铁心 附近。转子结构、动平衡校正的支承面及校正面 的设置如图１所示。 １．２平衡精确度和允许不平衡量的确定 和空气动力噪声构成。实践研究表明，三类噪声 中机械噪声占６５％～７５％，电磁噪声约占２５％， 空气动力噪声约占１０％以下，而引起电动机机械 噪声的主要原因是电动机转子不平衡。电动机转 子的不平衡在电动机运行过程中将产生周期性机 械振动，在转子轴承上产生附加的动压力，降低轴 和轴承的寿命。 降低电动机转子不平衡，除了提高零件的设 计精度、制造精度外，最有效的方法是对电动机转 确定转子的允许不平衡量是一项很复杂的工 作，因为在转子批量生产的条件下，必须同时兼顾 工艺的必要性，工艺的可行性（因为涉及转子个 子进行不平衡校正，其实质是调整转子部件的质 量分布，使转子在转动时的离心力系达到平衡，以 体之间的差异性）和工艺成本等诸多方面的因 素。目前，国际上还没有权威的确定旋转机械允 许不平衡量的理论计算方法，而确定转子的允许 不平衡量最有效的方法是通过耐心的试验，作统 减少轴承上的附加动压力，降低电动机运行的机 械振动和机械噪声。 １ 转子动平衡工艺的设计 １．１ 平衡支承面和校正面的设置 计和分析，但仅靠试验的方法显然不能满足大批 量标准化生产的要求。因此，根据国家标准ＧＢ／ 旋转机械动平衡的品质是以旋转机械支承轴 承的单位承压大小为依据的，所以将电动机转子 Ｔ９２３９．１ ｉｄｔ ＩＳＯ １９４０推荐的要求和多年的实践 经验，本系统按Ｇ２．５的精度对转子进行动平衡 一５Ｓ一 工艺与材料ＥＭＣＡ 电札与粒帚Ｊ应用２ｏｏ８，３５（１０） ①左轴承挡圈；②右轴承挡圈 图１ 转子结构、支承面及校正面的设置 工艺设计。 允许不平衡量分配到两个校正面ｕ 和ｕ 的 如某小型电动机转子的最高转速设计值为 工作比较关键，分配转子允许不平衡量与转子结 １ ４００ ｒ／ｒａｉｎ，则由式（１）可计算出转子在最高转 构（形状、重心位置等）、支承面及校正面的设置 速下允许的不平衡度ｅⅢ叶。该值也可根据国家标 位置有很大的关系。当电动机转子不对称时，即 准ＧＢ／Ｔ９２３９．１ ｉｄｔ ＩＳＯ １９４０中，动平衡品级相应 转子的重心面不在两校正平面的中心位置（图１ 的允许剩余不平衡度对照图直接查取。 中， — ≠ —Ａ）时，转子的校正面设置与支承 Ｓｕｅｐｅｒ＝ ＝—— ・Ｓ２Ｗｈｏ／６０＝９．５５ｕ∞ ¨熹（１ ） 面之间的距离较远，而且对运行噪声的要求比较 —苛刻，不能随便地将转子允许的不平衡量 直 接一分为二地分配到两个校正面ｕ 。和ｕ 上， 式中：５．．——不平衡烈度（ＩｌｌＩｌｌ／／Ｓ）； 分配原则应该是两个校正面上的允许不平衡量 ０９ ——转子最高角速度（ｒａｄ／Ｓ）； …。与Ｕｐｅａ之和必须不大于转子总的允许不平衡 ——转子最高转速（ｒ／ｍｉｎ）。 量 。 转子允许的不平衡量 …按式（２）计算： 如图１所示，转子为重心与两支承面不对称 Ｕ ＝ｅ 。ｍ （２） 转子，所以左右两支承面的动载荷分别为： 、 式中：ｍ——转子的质量。 Ｕｌ＝（１一了９１＇｝・Ｕ （４） 电动机转子的部分数据及动平衡校正工艺参 数如表ｌ所示。 Ｕ２：了Ｍ．（／ （５） 表１转子部分数据及动平衡校正工艺参数 为了保证两支承面的动载荷不超载，两校正 面的允许不平衡量Ｕ 。与Ｕ 还必须满足式（６） 和式（７）的约束条件。 根据式（１）、（２）和表１，该电动机转子允许 Ｉ Ｕ ｌＩ．１一 Ａ）＋Ｉ Ｕｐｅｒ２ ｌ・１一 ） （６） 不平衡量设计值为： Ｉ Ｕ ｌ・ Ａ＋Ｉ Ｕ Ｉ・ Ｂ≤ （７） ＝ 。ｍ＝９．５５ ｍ＝９．５５×２．５／１ ４００× １ ４９０＝２５．４ （３） 根据式（４）～（７）的约束方程，可得出两校正 式中，ｓ． ．２．５ ｉｎｍ／ｓ（根据国标ＧＢ／Ｔ９２３９．１ ｉｄｔ 面的允许不平衡量 与 的取值不是惟一 ＩＳＯ １９４０）。 的。图解法可直观地反映这点，用图解法可求出 １．３允许剩余平衡量的分配 两校正面分配的允许不平衡量ｕ。 与ｕ。 的取值 当转子的允许不平衡量确定以后，将转子的 范围，如图２所示。 ５６—— 电ｊ６乙与粒帚Ｊ应闭２００８，３５（１０） Ｓ Ｘ Ｙ 图２ 图解法求两校正平面的允许不平衡量 从图２可明显看出，位于ＯＸＧＲ四边形内的 任意点均满足式（６）和式（７）的约束。因此，两校 正面的Ｕ 和Ｕ 的解不惟一，如取Ｇ点，则左 右两校正面 。与Ｕｐ 也可同时达到其允许不平 衡量，但此时的Ｕ 与Ｕ。 不相等，不利于大批量 生产，同时左右两支承面Ｕ 与Ｕ 的动载荷也将 出现在不利的相位上。根据实践经验，在图２中 取直角坐标的平分线与ＯＸＧＲ四边形的交点 Ｇ’，此时的 。 等于 。从图２可以看出左右 两支承面ｕ。与ｕ 的动载荷与其允许值可能出现 微小的差别。 上述旋转机械动平衡的品质是以旋转机械支 承轴承的单位承压大小为依据的，所以设图１中 的左支承Ｕ 为基准，则转子允许的不平衡量 。 在左右两支承点Ｕ，、Ｕ：（左右支承轴承）上产生的 动压力 、 分别为： Ｆ ：Ｕ （１一 ） （８） Ｆ ＝ ・等 。 （９） 式中： ——电动机转子的工作角速度（ｒａｄ／ｓ）。 两校正面允许的不平衡量Ｕ 和 在左右 两支承点ｕ 、Ｕ：（左右支承轴承）上产生的动压力 分别为： ＝ 。１一 Ａ）±Ｕｐｅｒ２ １一 Ｂ）］ （１ｏ） ＝ ］ …） 式中，“十”表示１校正面允许的不平衡量 与 ２校正面不平衡量 。 的相位相同；“一”表示１ 校正面允许的不平衡量Ｕ ．与２校正面不平衡量 。 的相位相反。 根据上文分析，按 ≤Ｆ ≤Ｆ２，消去式（８） 一（１１）中的ｔＯ得： 工艺与材料 ＥＭＣＡ （ｔ— Ｍ）＝Ｕｐｅｒｌ １ Ａ）± （ 一 Ｂ） （１２） ＭＵｐ Ａ＝±Ｕｐ ｒ２ Ｂ （１３） 针对图１所示的转子结构，按一定比例对两 校正面的允许不平衡量进行分配，设 ／Ｕ。 ＝ Ｄ，则Ｄ可按式（１４）计算： Ｄ＝ （１４） 将Ｕ ／Ｕ岬＝Ｄ代入式（１２）、（１３）解得： Ｕｐｅｒｌ 赤 （１５） Ｕｐｅｒ２＝ Ｍ面 （１６） 式（１５）、（１６）即为图１转子中两校正面分配 的 。和Ｕ。 。 由式（１４）及表１的数据，计算电动机转子两 校正面允许不平衡量的分配比率Ｄ值为： Ｄ＝ ＝ －１．６３２（１７） 由式（３）、（１５）、（１６）、（１７）及表１的数据计 算出转子两校正面的允许不平衡量ｕ 和 ｐｅｒ２ 为： 。 ＝＝ ：： ｊ ； ＝＝２５．４× Ｑ三二 （１０３—２０）±１．６３２×（１０３—７０） 上文提到，根据两个校正面上的允许不平衡量 与 。 之和必须不大于转子总的允许不平衡 量 的分配原则，取 。＝９．６５１ ｇ・ＩｎｌＴＩ，而 的另一个解４５．３１９ ｇ・ｍｉｌｌ已经大于转子总的 允许不平衡量 。 ，与分配原则矛盾，故舍去。则 ｒ２＝Ｄ× ｌ＝１．６３２×９．６５１：１５．７５ ｇ・ｒａｉｎ。 针对图１的转子结构，也可根据以下方法分 配 ｐ盯１和Ｕｐｅｒ２： 日： ＝ ７０－５１一Ａ Ｂ—Ａ ７０—２０ ７０—２０ ： ＿０．３８．０．６２ ‘ 则： Ｕ ｌ＝０．３８×Ｕｐ ＝０．３８×２５．４：９．６５２ Ｕｐ。ｒ２＝０．６２×Ｕ。 ：０．６２×２５．４＝１５．７５ 针对图１所示，电动机转子利用这两种方法 进行分配 。和Ｕｐｅｒ２，其分配结果一致。 在实际操作过程中，为方便人员操作，将两校 工艺与材料ＥＭＣＡ 迫乖乙与控制应用２００８，３５（１０） 正面的允许不平衡量 和 进行变换，由于 要，调制好的胶泥要软硬适中，过硬不利于与转子 的粘贴；过软则在转子旋转结束后，由于离心作用 胶泥容易产生飞边现象，飞边的平衡胶泥硬化后 电动机转子两校正面上配重位置半径约为 １８．５ ｍｍ（见图１和表１），所以将两校正面的允 许不平衡量分别表示为５２１．７ ｍｇ和８５１．４ ｍｇ （用 和ｆ／ 。 分别除以１８．５ １１１１３１），考虑到操作 方便最终将电动机转子两校正面的允许不平衡量 分别设计为５２２ ｍｇ和８５１ ｍｇ。 不仅可能擦碰电动机的机壳磁钢，同时会增加电 动机的空气动力噪声；如果在平衡胶泥硬化前整 形（消除飞边），已经处于动平衡的转子的平衡准 确度会发生变化。 平衡胶泥对转子的校正面（粘贴胶泥的位 ２ 动平衡的校正 ２．１校正方式的确定 转子两个校正面的动平衡校正，校正量可以 是正的，也可以是负的，所以转子动平衡的校正方 式一般分为去重法和加重法两种。根据转子结 构、动平衡工艺性、可返工性等多方面因素，电动 机转子的校正方式采用加重法。这是因为转子体 积比较小，对于部分初始不平衡量较大的转子，不 需要去除较多的转子材料（一般去重法基本上都 是去除转子铁心材料），避免影响电动机的磁路 结构；其次是去重法的工艺比较烦琐，每次去除的 材料不易准确掌握，只能逐步逼近，因此平衡效率 不高；另外一旦出现某处去除的材料过多，就必须 在＿卜一次去重的地方继续去重，这样不利于保持 转子的没计外形和质量（重量），影响电动机的运 行精度。而加重法平衡合格后，将平衡校正量硬 化后就可以了，如果发现硬化后的转子动平衡不 合格，可以将加重过多的材料适量去除，在不改变 转子设计外形和质量（重量）的前提下，可以比较 方便地将转子返工至合格。 ２．２平衡胶泥的制备与转子动平衡校正 电动机转子的动平衡利用ＢＭ一３２４２ＣＮ型号 的软支撑卧式动（双面）平衡机检测，校正材料使 用Ｊ８５２环氧树脂平衡胶泥。每次检测结束后动 平衡机自动分离显示两校正面的初始不平衡量或 剩余不平衡量。如果两校正面的初始不平衡量或 剩余不平衡量超过设定的允许不平衡量，动平衡 机将报警（显示红色信息），此时操作人员根据动 平衡机显示的两校正面的初始不平衡量或剩余不 平衡量与允许值问的差额和相位，将适量的平衡 胶泥分别粘贴在两校正面的相应位置，然后重新 检测、加重（包括减少上一次过多的加重量），直 至转子平衡合格为止。 动平衡校正过程中，平衡胶泥的调制比较重 一 Ｒ一 置）有一定的要求，被粘面应干燥无油污，需要时 可用酒精擦净。平衡胶泥混合制备时，取等体积 的甲、乙组份胶泥混合均匀，在冬季气温较低的环 境下，可将胶泥预热（２５～３０ｑｃ左右）变软后再使 用。混合方法以重复“位伸一绞合一折叠”的重 复绞麻花法最为简单，有效。校完平衡的转子在 高于５℃的条件下２４ ｈ内平衡胶泥将自行硬化。 Ｊ８５２平衡胶泥在硬化时无重量及外形变化，硬化 速度随温度的升高而加快。Ｊ８５２平衡胶泥甲、乙 组份混合后的硬化时问与环境温度之间的关系 （硬化特性）如表２所示。 表２ Ｊ８５２平衡胶泥的硬化特性 ３ 结 语 电动机转子的动平衡检测和校正不完全取决 于工艺技术，也属于质量管理的范畴。因此，产品 工程师、工艺工程师、质量工程师和操作人员要共 同制订合适的检测和校正监控程序，并严格执行。 动平衡机的精度和检测效率在转子动平衡工 艺中起比较重要的作用，因此为了保证转子动平 衡的校正质量，除了按国家标准《平衡机的描述 检验与评定》（ＧＢ／Ｔ４２０１．２００６／１ＳＯ２９５３—１９９９）对 动平衡机进行周期检验外，还应对其进行日常性 的简化检验（ＧＢ／Ｔ４２０１—２００６／１ＳＯ２９５３—１９９９中也 推荐了动平衡机简化检验的方法和要求）、维护 和保养。 另外，转子初始不平衡量不宜过大。对于初 始不平衡量较大的转子，虽然可以通过校正将其 平衡到允许不平衡量范围以内，但是转子的整个 质量（重量）的增加量也相应较多，将影响电动机 的运行精度（如复位的准确度等）。因此，应注意 迫击乙与控制应闭２￣８，３５（１０） 工艺与材料ｉｌ Ｉｌｉａ （上接第３９页） 一８００ ６００ ———————＿、 转矩能迅速跟踪负载的变化，具有较强的鲁棒性， 动态响应性能优良。 ｇ ４００ 、 ／， ／ ２ＯＯ 『 ０ ７０ ０．５ １．０ １．５ 【参考文献】 ［１］ Ｒｕｑｉ Ｌｉ，Ａｌａｎ Ｗａｌｌａｃｅ，Ｒｅｎｅ Ｓｐｅｅ．Ｄｙｎａｍｉｃ ｓｉｍｕｌａ— ｌｉｏｎ ｏｆ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｄｏｕｂｌｙ—ｆｅｄ ｍａｃｈｉｎｅｓ『Ｊ １．ＩＥＥＥ 暑５０ 己３０ ｌ０ ０ Ｏ．５ １．Ｏ １．５ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，１９９１，６（３）： ４４５４５２． ［２］ Ｗｉｌｌｉａｍ Ｒ Ｂｒａｓｓｉｆｅｌｄ，Ｒｅｎｅ Ｓｐｅｅ．Ｄｉｒｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎ— 图７转速变化时动态响应 一ｔｒｏｌ ｆｏｒ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｄｏｕｂｌｙ—ｆｅｄ ｍａｃｈｉｎｅｓ『Ｊ］．ＩＥＥＥ ８００ 广、 Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，１９９６，３２（５）： １０９８—１１０４． 匕６００ ｌｆ 吕４００ ２００ ：一 ［３］Ｚｈｏｕ Ｄ，ＳｐｔＳｅ Ｒ，Ｗａｌｌａｃｅ Ａ Ｋ．Ｍｏｄｅｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ａ— ０．５ １．０ １．５ Ｏ ７０ ｇ ５Ｏ ｄａｐｔｉｖｅ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｄｏｕｂｌｙ－－ｆｅｄ ｍａ・－ ｃｈｉｎｅｓ［Ｃ］／／ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｄ Ｅ— ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ，１９９３（２）： １１７５．１１８０． ０．５ １．０ １．５ ３０ ｌ０ ０ ［４］ Ｉｚａｓｋｕｎ Ｓａｒａｓｏｌａ，Ｊａｖｉｅｒ Ｐｏｚａ，Ｍｉｇｕｅｌ Ａｎｇｅｌ Ｒｏｄｒｉｇｕ— ｅｚ，ｅｔ ａ１．Ｄｉｒｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｄｏｕｂｌｙ・ 图８负载变化时动态响应 ｅｄ ｉｆｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅｓ［Ｃ］／／ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎ— ｆｅｒｅｎｃｅ Ｏｉｌ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｍａｃｈｉｎｅｓ＆Ｄｒｉｖｅｓ，２００７（２）： １４９６—１５０１． ４ 结 语 应用于ＢＤＦＭ直接转矩控制的模型参考自 适应算法，很好地解决了控制绕组磁链辨识受电 阻影响的问题，实现了较为精确地辨识定子磁链， ［５］ 崔江霞，杨战社，赵燕云．感应电动机模型参考自 适应辨识及其应用［Ｊ］．西安科技大学学报，２００６， ２６（２）：２６３—２６７． ［６］ 刘晓鹏，张爱玲，樊双英．无刷双馈电机直接转矩 以及准确地计算转矩，达到了ＢＤＦＭ直接转矩控 制的目的。仿真结果表明，系统在最容易受定子 电阻影响的低速区，动态响应平滑且迅速，减小了 定子电阻的影响；而且系统调速过程平稳无超调， 控制策略的研究［Ｊ］．微特电机，２￣６（３）：２５－２８． ［７］ Ｙｏｓｈｉｈｉｋｏ Ｍｉｙａｓａｔｏ．Ａ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｍｏｄｅｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ［ｃ］／／Ａｍｅｉｒｃａｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，１９９８（１）：６０９－６１３． 收稿日期：２００７ ８ ５９— 一
