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根据电机原理可知,n下降,会使电机切割磁力线产生的感生电动势E反下降;在电枢绕组两端的电压U一定时,E反下降导致电枢电流I枢升高,从而使电机的电磁转矩M值增加,使得M=Mz+M0,转速在较低值下重新趋于平稳;而I枢升高,导致热能Q=I枢2R增加。对于散热条件受限制的微型电机,逐渐积累的热量会使电机温升增大,进而形成的较高温度下的产热与散热平衡[1]。对于微型电机,其结构尺寸较小,工作载荷也小,若电机处于高转速的环境,M0对于电机温升的影响也成了一个较为重要的因素。

 

1.2 摩擦力矩对电机温升的影响直流微电机在空载状态或负载较小时,M0对于M的影响较为显着。从M0的性质来看,其主要构成是电机运转时在各部件之间产生的摩擦力矩Mf。另外,从电机功率输入到输出所损耗的能量分析可知,在电机运转时的机械损耗中,轴承的摩擦损耗是其中的一个主要方面。降低轴承的摩擦力矩MfB,可使电机运转时,用于平衡的电磁转矩M减小,进而使I枢降低,电机产热量Q下降。相应地,最终使得电机在较低温度下达到产热与散热的平衡[2]。

 

2 摩擦力矩影响因素分析对于深沟球轴承

 

 

 

(1)载荷作用区内的球体在沟道上形成一个压力椭圆,使得球体在滚动时受阻滞。压力椭圆越大,阻力越大。

 

(2)在轴承旋转时,球体由于受离心力的影响而作用于沟道表面,使摩擦力增加。

 

(3)球体在轴承滚动时产生自旋现象,在沟道表面产生滑动摩擦。

 

(4)球体与保持架之间因各种异常情况而产生的直接滑动摩擦。

 

(5)因润滑不良而造成球体与沟道间的干摩擦。由于轴承结构以及目前轴承加工工艺水平所限,上述情况在轴承高速旋转时必然会或多或少地影响轴承的摩擦力矩M1值。

 

3 降低摩擦力矩的措施据国外有关陶瓷球轴承的资料显示,陶瓷材料用于轴承比轴承钢有许多好的特性;重量轻、热膨胀系数小、硬度高,耐高温,热稳定性好,弹性模量高等。

 

陶瓷球的弹性模数是钢球的1.5倍,当轴承高速运转时球体在沟道表面形成一个较小的压力椭圆,使沟道表面对球体的阻滞作用减小;同时由于陶瓷的高模数及好的热稳定性,在轴承高速旋转时,内、外圈之间能产生并长时间保持较小的压力角差,从而形成良好的运动特性;再者,陶瓷球的离心力为钢球的40%左右,离心力大大减小,使得球体对沟道的作用力减小,摩擦力矩也相对减小,另外,高速轴承的滚动接触条件对使用陶瓷球比钢球更为有利。陶瓷球的自旋滚动比较小,接触状态更好,自旋摩擦也小[4]。

 

陶瓷球因其自润滑的/软0特性而在润滑不良情况下能与保持架与沟道之间保持较好的润滑。

 

并且,因各种原因导致轴承轻微偏斜时,陶瓷球与保持架之间的相对运动要小许多,因而陶瓷球轴承能保持良好的运动特性。

 

在滚动轴承摩擦系统中,通过钢/陶瓷匹配的亲合性低于钢/钢匹配的亲合性。当润滑膜未能很好地形成或缺少有效润滑时,较低的亲合性可有效地发挥作用。同时,在轴承因温升等原因导致球体尺寸变化时,由于混合轴承预过盈变化较小,球体与沟道之间发生干摩擦的机会也相对缩小[5]。

 

FAG公司Rudolf Weigand在/关于陶瓷用于滚动轴承的研究0中,介绍了混合轴承与钢制轴承摩擦力矩的对比试验结果,如图1所示。

 

图1 摩擦力矩试验结果由图1中可看出,随着dN值的增加,混合轴承的摩擦力矩要远小于钢制轴承,且随dN值增加,混合轴承对改善轴承摩擦力矩的贡献就越大。

 

4 对比试验基于上述理论分析,我们进行了直流微电机混合轴承的试制及轴承摩擦力矩和电机温升方面的测试。试验中,采用了成品轴承换滚动体的方法取得混合陶瓷球轴承。

 

 

(1)取30套正品61806/P5轴承(用于50SZW-CZ11电机),用白汽油清洗后,加1~2滴ZYS-203薄层防锈油,在MJ-5摩擦力矩仪上测试其摩擦力矩,结果如表1所示。

 

(2)轴承拆套,测钢球偏差。61806/P5轴承每套内装U3.175 mm钢球20粒,精度G10级,测出其中有15套300粒钢球偏差为+0.5Lm。

 

(3)加工、制造出U3.175 mm+0.5Lm、G10级精度的陶瓷球300粒。

 

(4)将300粒陶瓷球和相应的钢制套圈进行装配。并对装配好的15套混合轴承进行如第(1)步骤的摩擦力矩的测试,测试结果如表1所示。

 

(5)进行电机运转试验试验电机:50SZW-CZ11装配轴承型号:61806/P5dN值:2.7@105mm#r/min工作条件:转速7 500?22.5 r/min工作载荷:1 N温升测试结果如表1所示。

 

装有混合轴承的微电机的温升基本符合生产要求。测试数据与前述理论分析结果相符。试验#38#5轴承61999.?.51 微型直流电机的温升原因1.1 温升原因直流电机在运转过程中输出的电磁转矩M主要用于平衡负载转矩Mz和空载损耗转矩M0。

 

即M = Mz+ M0电机运转时,若上式中Mz或M0值增加,会导致M