高效电机、变频电机、伺服电机用轴承的开发

1 引言

据统计，各种工业机械用电动机的功耗占世界总功耗的40%～50%，因此，社会呼吁降低这项功耗。作为对策，具有较高能效的高效电动机被投入使用。另一种降低功耗的方式是变频电动机，其可根据运行工况改变转速。

近年来，劳动力的减少导致对工业机器人的需求迅速增长。这些机器人采用能正、反向旋转以及精确定位的伺服电动机，因此，预计对伺服电动机的需求也将迅速增长。

本文介绍了在开发高效电动机、变频电动机和伺服电动机用轴承方面所开展的工作，未来对这些轴承将会有极大的需求(表1)。

表1 工业机械电动机的市场需求以及轴承举措

2 高效电动机用低转矩轴承

2.1 开发背景

全球范围内在降低功耗方面所做的努力导致法规要求提高电动机效率。电动机的能量损失包括铁损(铁芯发热)、铜损(绕组发热)和机械损失(本文中由于轴承旋转产生的损失不包括冷却风扇产生的风损)。虽然机械损失仅约占电动机功耗的1%，但占世界总功耗的0.4%～0.5%，因此，这项功耗的降低对社会的影响巨大。NSK一直在评估并致力于减少实际电动机的机械损失。如图1所示，装有轴承的评估用电动机运行了3 h，输入电压从200 V开始降低并测量电压对应的输入功率。输入功率的最小值被认为是机械损失，其中的冷却风扇已被拆除。

图1 机械损失评估方法

上述评估方法可对机械损失进行直接评估，并有可能用于开发客户的电动机。

2.2 产品特性

机械损失的组成如图2所示。

图2 轴承机械损失的影响因素

在额定转速3 000 r/min的工况下，2P电动机中约80%的机械损失源于轴承零件间润滑脂的剪切和搅拌阻力导致的润滑阻力。因此，降低润滑阻力将有助于减少机械损失，并对润滑脂的类型、填充量以及保持架形状进行优化。

2.3 开发产品的评估结果

开发轴承的机械损失结果如图3所示。与常规轴承相比，优化润滑脂填充量可减少60%的机械损失。对于常规轴承，减少润滑脂填充量往往会破坏油膜，降低润滑脂咬粘寿命。采用NSK特殊润滑脂的开发轴承具有优异的抗咬粘性，机械损失减少了60%，同时润滑脂咬粘寿命提高至常规轴承的2.7倍。

图3 高效电动机用低转矩球轴承的机械损失和润滑脂咬粘寿命

与电动机极数(转速)有关影响的试验结果如图4所示，4P电动机的机械损失比2P电动机的机械损失小。这是由于2P电动机的转速(3 000 r/min)比4P电动机的转速(1 500 r/min)高。该试验中2P，4P电动机机械损失的减少率分别为50%，27%。比率差异可能是由于低转速4P电动机的润滑阻力与机械损失之比较低(图2中2P电动机为80%)。

图4 不同极数电动机的机械损失率

高效电动机用低转矩轴承具有多种尺寸(外径26～170 mm)。与常规轴承相比，低转矩轴承减少了机械损失且润滑脂咬粘寿命更长。此外，与钢制保持架相比，塑料保持架被证实可减少一半的机械损失(图5)。塑料保持架抑制了保持架兜孔中的润滑脂搅拌阻力以及保持架与球之间的滑动摩擦阻力。此外，希望将塑料保持架用于工业机械电动机，因为塑料保持架不会因磨损而使润滑脂降解，从而有助于延长使用寿命。

图5 高效电动机用低转矩球轴承的机械损失率

3 抗电蚀陶瓷涂层轴承

3.1 开发背景

最佳转频可控的变频电动机有助于泵和鼓风机的节能以及钢铁和造纸厂的产品质量改进。可控频率(载波频率)在不断增加，电动机能以更高的精度运行。随着载波频率的增加，轴承中的高频电流可能会导致电蚀。电蚀是一种通过滚道表面与滚动体之间的润滑油膜产生火花，从而导致局部融化和不均匀的现象，如图6所示。电蚀还会引起早期的异常声和咬粘。将小型电动机用轴承装配不导电的陶瓷球作为一种防止电蚀的措施。然而，大型陶瓷球存在着生产率问题。NSK开发了一种变频电动机用抗电蚀陶瓷涂层轴承，在其外圈上涂覆有陶瓷喷涂材料，如图7所示。

图6 轴承内圈沟道上的电蚀

图7 抗电蚀陶瓷涂层轴承

3.2 产品特性

由于高生产率的氧化铝陶瓷喷涂材料涂覆在外圈上，新开发的抗电蚀陶瓷涂层轴承具有优异的电气绝缘性能。另外，与普通陶瓷涂层轴承相比，抗电蚀陶瓷涂层轴承的陶瓷涂层区域中的空洞更少，因涂层致密而经久耐用，如图8所示。

图8 陶瓷涂层零件的横截面

3.3 开发产品的评估结果

电气绝缘性能的评估结果表明，开发产品在直流电源下的绝缘性能约为普通陶瓷涂层轴承的10倍。开发产品在交流电源下具有同等或更好的绝缘性能，满足IEC TS 60034-25∶2014(IEC 2014)推荐的1 MHz高频时100 Ω或更高阻抗的要求，如图9所示。

图9 开发抗电蚀陶瓷涂层轴承的电气绝缘性能

力学性能方面，抗电蚀陶瓷涂层轴承的抗冲击性约为普通陶瓷涂层轴承的3倍且更易处理，如图10所示。

图10 开发抗电蚀陶瓷涂层轴承的力学强度

散热是陶瓷涂层的缺点，与普通陶瓷涂层轴承相比，抗电蚀陶瓷涂层轴承通过相对致密的涂层抑制散热，因此，预计可延长润滑脂和电动机的寿命。与普通陶瓷涂层轴承相比，轴承旋转过程中的温升降低约10 ℃，如图11所示。

图11 开发抗电蚀陶瓷涂层轴承的散热性能

针对大中型电动机，抗电蚀陶瓷涂层轴承有不同尺寸系列(外径130～230 mm)。

4 伺服电动机用低颗粒排放轴承

4.1 开发背景

伺服电动机通过传输或反射刻在编码器板上的图案中的LED发光信号并将接收到的信号反馈给电动机控制器来实现精确定位。油或其他物质污染编码器板的表面会导致接收信号和将位置信息反馈给电动机控制器失效，从而无法正常运行。机器人用伺服电动机需通过电磁制动器使机械臂和工件停止。此时，油或其他物质污染制动板会导致制动打滑。工业机器人用伺服电动机被要求具有高可靠性，因此轴承必须具有低颗粒排放，并且不会污染编码器或制动器。

4.2 产品特性

伺服电动机用低颗粒排放轴承采用低颗粒排放LGU润滑脂(其成分经过优化)，同时采用高密封性、轻接触式DW密封(图12)。

图12 伺服电动机用低颗粒排放轴承

4.3 开发产品的评估结果

NSK进行了多次模拟试验，研究轴承内部润滑脂散射与编码器制动盘污染之间的关系。激光照射下散射颗粒的可视化结果如图13所示。在采用常规润滑脂的非接触式密封中可观察到许多颗粒从旋转的轴承内圈与密封圈的间隙散射出来，模拟了润滑脂从轴承中散射出来的污染路径。试验表明，采用非接触式密封和低颗粒排放LGU润滑脂的轴承中的颗粒散射量会减少。此外，在填满LGU润滑脂的轻接触式密封轴承中几乎看不到润滑脂的散射。

图13 轴承润滑脂散射可视化试验

用于量化由于润滑脂飞溅而造成编码器板或制动盘污染的试验如图14所示。这是一种评估旋转后圆盘污染情况的方法，带有模拟编码器或制动盘的圆盘的轴由试验轴承支承，并由外部电动机带动旋转一段时间。通过对圆盘特定区域内污染区域的比例进行图像分析来量化污染。试验结果表明，低颗粒排放LGU润滑脂比标准润滑脂对圆盘的附着力更小，能有效防止编码器污染。此外，当结合轻接触式DW密封使用时，润滑脂在试验条件下几乎没有粘附。

图14 圆盘粘附模拟试验

填充LGU润滑脂和采用轻接触式DW密封的低颗粒排放轴承(外径26～120 mm)适用于不同尺寸的伺服电动机，这些轴承目前得到了用户的高度评价。

5 结束语

本文介绍了高效电动机、变频电动机和伺服电动机用轴承技术开发面临的挑战。通过这些轴承的开发，希望能对电动机的节能和机械设备寿命周期成本的降低做出贡