变频电机轴承摩擦损耗与频率变化的关系分析
2010-06-17 08:43阅读：
变频电机轴承摩擦损耗与频率变化的关系分析
机械损耗包括轴承摩擦损耗和通风损耗。这两个参数与诸多因素有关，故难于精确确定。一般情况下，总是根据已制造的电机的试验数据来近似计算或估取所设计电机的机械损耗。
根据有关资料介绍，轴承摩擦损耗可用以下数值方程估算：
Pf=0.15*F/d*v*10-5
(1)
式中F----轴承载荷单位为N
d------滚珠中心所处的直径单位为m
v-----滚珠中心的圆周速度单位为m/s
由上式可知轴承摩擦损耗与轴承载荷F及滚珠中心的圆周速度v成正比关系，而与滚珠中心所处的直径d成反比关系。
当电机的频率变化时，圆周速度v也随着变化。由于滚珠中心所处的直径d不变，所以下面就分析一下轴承载荷F随着电机的频率时的变化情况。
电机运行时，转轴承受的力F包括转子重量G和单边磁拉力P0所引起的弯曲应力Fw以及转矩产生的剪应力Ft。对于两个轴承支撑点所受到的F1w和F2wz之和，经分析我们认为可以近似地等于Fw。
F=( Fw2+(a*Ft)2)1/2
N.m
(2)
Ft=k*Tn N.m
(3)
Tn=(9550*P
2)/Ns
N.m
(4)
式中P
2为电机的额定功率,单位为kW
a为系数一般取0.67
Ns为转速,单位为r/min
k为系数一般取1.4
Tn—电机的额定转矩单位为N.m
1.当电机的频率从50Hz变化到100Hz时，轴承载荷F随着电机的频率时的变化情况:
当电机的频率从50Hz变化到100Hz时，由于电机处于恒功率状态。圆周速度v也随着增加了一倍,按式(4)Tn＇则降低了一倍，即Ft也降低了一倍。
单边磁拉力P
0产生的主要原因是转子相对于定子偏心。根据有关资料介绍，
P
0=(πDL)/δ*（B
δ/7000）
2*0.1*δ
kg
(5)
式中D—转子外径 cm
L—转子铁心长度
cm
δ—气隙长度
cm
B
δ--气隙磁密平均值
高斯
我们都知道，根据电机工程方程，但其他参数不变时，气隙磁密与频率成反比关系，当电机的频率从50Hz变化到100Hz时气隙磁密约降低了一倍。故单边磁拉力约降低到(1/2)
2=1/4倍。
由于 Fw=9.8*(G+P
0)*L
1*L
2/L
N.m
(6)
所以，电机运行时，转轴承受到的转子重量G和单边磁拉力P
0所引起的弯曲应力Fw＇也有所下降。
我们对Y3低压大功率几个规格进行了计算表明，根据转子重量G和单边磁拉力P
0的比例不同和极数不同，弯曲应力Fw＇分别下降到57.4%～66.1%。，轴承载荷F＇分别降到57%～63%。
当电机的频率从50Hz变化到100Hz时，按式（1）计算出轴承摩擦损耗增加了约13.2%～25.9%。（见表1）
我们又对当电机的频率从50Hz变化到75Hz时，计算出轴承摩擦损耗增加了约2.4%～9.8%。
我们对当电机的频率从50Hz变化到60Hz时，计算出轴承摩擦损耗增加了约0%～2.7%。
结论：从表中可知，根据极数不同，即转矩，转子重量G和单边磁拉力P
0的比例不同，当电机的频率从50Hz变化到100Hz时，轴承摩擦损耗增加有所不同，2极约为15%，4极约为19%,6极约为23%,8极约为26%。在其他频率时的变化趋势也同上述。
典型规格的轴承损耗与频率的变化趋势（50-100Hz）见图。
2.当电机的频率从50Hz变化到5Hz时，轴承载荷F随着电机的频率时的变化情况:
当电机的频率从50Hz变化到5Hz时，圆周速度v也随着减少到1/10倍。由于滚珠中心所处的直径d不变，所以接下来我们需要分析一下轴承载荷F随着电机的频率从50Hz变化到5Hz时的变化情况。
表1 频率从50Hz变化到100Hz变化时轴承损耗的变化情况
型号
|
功率
|
轴承损耗的增量
|
100Hz
|
75Hz
|
60Hz
|
|
kw
|
%
|
Y3-355-2
|
450
|
13.2
|
2.4
|
-
|
Y3-400-2
|
560
|
15.4
|
2.4
|
-
|
Y3-355-4
|
450
|
14.2
|
2.8
|
-
|
Y3-400-4
|
630
|
18.6
|
5.9
|
1.1
|
Y3-400-6
|
500
|
20.8
|
7.1
|
1.6
|
Y3-450-6
|
710
|
23.7
|
8.7
|
2.3
|
Y3-400-8
|
400
|
22.4
|
7.9
|
1.9
|
Y3-450-8
|
560
|
25.9
|
9.8
|
2.7
|
|
当电机的频率从50Hz变化到5Hz时，由于电机处于恒转矩状态，加上变频器的电压补偿作用，Tn＇基本不变，即Ft也不变。
当电机的频率从50Hz变化到5Hz时，为保持力矩不变，磁通不变，故气隙磁密也基本不变。故单边磁拉力也基本不变。
则轴承载荷F＇=F。
当电机的频率从50Hz变化到5Hz时，按式（1）计算出轴承摩擦损耗减少了约90%。
结论：当电机的频率从50Hz变化到5Hz时，轴承摩擦损耗减少与频率的减少成正比关系。
。
但是，当电机低速运行时，润滑脂的黏度增大，它对轴承的摩擦损耗的影响不可忽视。
润滑脂在轴承中的润滑是润滑脂具有一些独特的流变性质，稠度和触变性，在外力作用下才能产生变形和流动。但轴承运转时成为黏度接近基础油的流体而起润滑作用，除去外力或轴承停止运转时又成为固体。
轴承损耗与频率的变化趋势（50-100Hz）
当电机的频率从50Hz变化到5Hz时，电机转速较低，可以认为此时润滑脂在轴承中不能形成油膜起润滑作用，故摩擦阻力大增。所以建议在变频电机中，必须选用低黏度的基础油的润滑脂。
