高低温下不同材料引起步进电动机轴承卡滞问题研究

肖渊海,方晓强,严 亮,张炜卓

(中国电子科技集团公司第二十一研究所,上海 200233)

0 引 言

步进电动机是将电脉冲信号转化成角位移的执行元件,其组成的系统简单方便﹑成本低,因而被广泛应用于要求较高分辨率的开环定位系统[1]。随着现代科学技术的发展,对步进电动机的高可靠性、低能耗和轻量化等提出了越来越高的要求[2]。为了满足轻量化的设计要求,步进电动机的机壳及端盖常采用硬质铝合金等轻质材料代替结构钢材料,并在满足结构强度要求的情况下来达到减轻电机总质量的目的。然而,在高低温工况下,机壳和端盖采用硬质铝合金材料的步进电动机容易出现轴承卡滞问题。文献[3]介绍了发动机飞轮导向轴承安装过程出现轴承转动卡滞的现象,并从装配和加工制造等各个环节进行了分析探讨,最后解决了轴承安装卡滞的问题。文献[4] 调研了铁路客车塞拉门携门架轴承卡滞问题,并通过实验分析该问题,发现了问题的原因,并提出整改方案,有效地排除了塞拉门的故障。文献[5]通过深入分析,发现了造成电枢卡死、轮对卡滞问题的原因,即铁路机务段电力机车实验与运行时电机窜油,以及电动机电枢轴承负荷太大,并提出了相应的解决方案,确保了牵引电机运用的安全性和可靠性。

本文采用有限元分析软件ANSYS Workbench,分别在高温95 ℃和低温-60 ℃下对机壳和端盖采用不同材料的步进电动机进行仿真分析,分析高低温下由材料不同引起步进电动机出现轴承卡滞问题的主要原因,并提出了改进措施。

1 有限元仿真分析

1.1 仿真模型的建立

本文研究高低温下由机壳和端盖采用不同材料,引起步进电动机出现轴承卡滞问题的主要原因,因此电机主要的不同之处在于定子部分。本文以步进电动机的定子作为研究对象,同时为了提高有限元网格的划分效率及有限元仿真分析的计算效率,将定子中的绕组等非结构件进行了合理的简化。根据定子的安装固定方式和实际工况,将定子机壳法兰面的安装孔进行轴向位移固定,对所有零件分别加载95 ℃和-60 ℃的温度载荷,机壳和端盖分别设置硬质铝合金和结构钢材料,其余零件设置结构钢材料,具体的三维有限元模型如图1所示。

图1 三维有限元模型

1.2 有限元结果与讨论

在高温95 ℃和低温-60 ℃下,分别对机壳和端盖设置硬质铝合金和结构钢材料的步进电动机进行有限元仿真分析,定子轴承档处的轴向位移云图和径向位移云图分别如图2～图5所示。

图2 95 ℃下机壳端盖为铝合金时轴承档位移云图

图3 95 ℃下机壳端盖为结构钢时轴承档位移云图

图4 -60 ℃下机壳端盖为铝合金时轴承档位移云图

图5 -60 ℃下机壳端盖为结构钢时轴承档位移云图

在高温95 ℃和低温-60 ℃下,机壳和端盖分别设置硬质铝合金和结构钢时,定子轴承档的最大轴向位移和最大径向位移如表1所示。

表1 高低温下轴承档的轴向位移和径向位移

由图2～图5及表1可知,在高低温下,由于机壳和端盖采用不同材料(主要是材料的热膨胀系数不同,硬质铝合金的热膨胀系数为2.3×10-5K-1,结构钢的热膨胀系数为1.2×10-5K-1),引起了轴承档的轴向位移和径向位移产生了差值。在高温95 ℃下,轴承档的轴向位移和径向位移差值δ分别为0.014 mm和0.006 9 mm;在低温-60 ℃下,轴承档的轴向位移和径向位移差值δ分别为0.016 mm和0.007 8 mm。而在此高低温下,由于机壳和端盖采用硬质铝合金后引起的轴承档轴向位移和径向位移差值δ将直接作用于左右两端轴承的外径,进而减小了轴承的轴向游隙和径向游隙,最终导致轴承出现了卡滞问题。为此,本文提出将定子轴承档与轴承的配合间隙和步进电动机定转子的轴向间隙在原有的基础上分别增加了0.008 mm和0.017 mm,以抵消由材料不同引起轴承档的轴向位移和径向位移差值,进而避免轴承出现卡滞的问题。

2 实验验证

本文随机抽取了一台故障电机,将其定、转子拆开并用汽油清洗干净,把定子轴承档内孔车掉0.008 mm,转轴两端轴承档端面各车掉0.017 mm,再将定、转子装配起来,分别放置于温度为95 ℃和-60 ℃的实验设备中进行通电实验跑合,发现转轴转动自由且平稳、无卡滞现象。由此说明,本文的改进措施是可行的,对类似步进电动机的结构优化具有一定的参考价值。

3 结 语

本文基于有限元分析平台ANSYS Workbench,在高温95 ℃和低温-60 ℃下,分别对机壳和端盖采用不同材料的步进电动机进行了仿真分析。得到如下结论:

1)仿真结果发现了高低温下由材料不同引起步进电动机出现轴承卡滞问题的主要原因,即:在高低温下,由于机壳和端盖采用不同材料(主要是热膨胀系数不同)引起了轴承档的轴向位移和径向位移产生了差值,而差值δ将直接作用于左右两端轴承的外径,进而减小了轴承的轴向游隙和径向游隙甚至吃掉,最终导致轴承出现了卡滞问题。

2)针对高低温下由材料不同引起步进电动机出现轴承卡滞问题,提出了改进措施,即通过将定子轴承档与轴承的配合间隙和步进电动机定转子的轴向间隙在原有的基础上分别增加了0.008 mm和0.017 mm,以抵消由材料不同引起轴承档的轴向位移和径向位移差值。

3)本文通过实验验证了改进措施的可行性,避免了高低温下由材料不同引起步进电动机出现轴承卡滞的问题,为类似步进电动机的结构优化提供了有利参考。