第一节 电机轴承基本结构配置原理

一、电机轴承配置的基本概念

电机轴承的结构配置通常是指电机设计人员根据电机的承载和转速需求，选择出可以承载的轴承类型，并将其在轴系中进行机械布置的过程。因此，了解电机的承载工况就是十分关键的第一步。

前面已经讨论了电机中常用的轴承承载能力，下面讨论电机轴承的承载工况。

二、电机轴承的承载

电机轴系的承载系统可以承担负荷的方向如图3-1所示。

由图3-1可知，电机轴系主要承受外界施加的负荷按照方向分，包括轴向负荷和径向负荷（图3-1中分别用F_a和F_r来表示）。

在三坐标系统中，除了轴向和径向之外还有周向。如果电机轴承受的周向负荷构成力偶矩，则大小相当方向相反的两个周向力相互抵消，如图3-2所示。此时电机所承受的力偶矩对轴承不构成影响，外界转矩和电机内部电磁转矩相平衡。

如果电机轴端承受周向负荷，并不构成力偶矩，这个周向负荷从俯视角度就成为电机轴系的径向负荷，应该纳入考虑范围。

电机有立式、卧式、倾斜安装等不同的安装方式。不同的电机安装方式会导致电机内部轴承承载情况的不同，下面以内转式（即内转子式）电机为例分别介绍。

（一）卧式安装电机

一般电机的轴系是两支撑结构，对于卧式安装电机，不论凸缘端盖安装还是底脚安装，其轴承负荷情况大致如图3-3所示。图3-3中，粗实线表示电机转子（或轴。后同）；G代表转子重量；F_r代表径向负荷；F_a代表轴向负荷。

电机作为机械系统的一部分，承受外界的（主要是加在轴伸端）轴向负荷和径向负荷，同时承受周向转矩负荷。

电机内部的轴承作为轴系的支撑点，承受由外界传递进来的轴向负荷和径向负荷，并将这些负荷从转轴通过轴承、电机端盖传递到机座上。这些负荷包括外界联轴器的重量（对于利用联轴器直连的系统）、带轮的重量和带轮的带张力（对于利用带联结传动的系统）等负荷。

同时，电机作为转矩输出（对于电动机是输出，对于发电机是输入）装置，其内部电磁转矩将用于输出到外部，通过轴伸端和外部转矩相平衡。因此，轴承不承担转矩部分带来的负荷。在电机轴承端直接连接齿轮的工况下，如果齿轮单侧啮合，则此负荷应该计入，因有时此负荷会用传出转矩的方式给出（为避免混淆，此处加以说明）。这就是前面说到的电机轴端周向负荷的计入方式。

另外，作为轴系的支撑，整个转子的重量G也会作为轴承的径向负荷由轴承承担。

对于较细长的电机，如果轴的挠度使得电机内部产生相应的单边磁拉力，那么，这个单边磁拉力也会由轴承承担。

综上所述，电机（卧式安装电机）轴承承受的负荷主要包括电机转子的重量、单边磁拉力、电机外界的径向负荷（联轴器重量和带轮重量加带张力等）、电机外界的轴向力（风叶推力及其他轴向推力）。

某些读者可能会有一个误解，认为电机的转矩负荷应该计入轴承的径向负荷。前已述及，转矩不被计入。轴承在转矩负荷中充当阻转矩仅仅是作为损耗存在。

电机轴承结构配置设计中，大致了解负荷的状态并且对负荷情况有一个定性的理解就可以继续进行。但是，要对轴承规格的大小进行选择，就需要对轴承负荷的大小进行定量的计算，从而用轴承的寿命计算来进行相应的校核。轴承负荷大小的选择，在第五章滚动轴承寿命计算相关内容中有详细的讨论，此处不重复。

（二）立式安装电机

对于立式安装电机，不论凸缘端盖安装还是底脚安装，其负荷情况大致如图3-4所示。

在这种情况下，电机机座和外界相连，电机转子的重量就成为了电机轴承的轴向负荷。外界如果连接带轮，那么带轮的重量也成为电机的轴向负荷，带张力将成为电机的径向负荷。如果电机是联轴器连接，联轴器重量则成为电机轴承轴向负荷。

同卧式安装电机不同，立式安装电机（排除加工误差影响）不会产生由于转轴挠度引起的定转子中心线不重合，因此不会出现由于转轴挠度产生的单边磁拉力。所以此工况下单边磁拉力不予考虑。

和卧式安装电机相同的是，立式安装电机的转矩负荷通常依然不计入轴承负荷，道理和前面讲述的相同（同样轴端直接连接齿轮且齿轮单边啮合的情况单独考虑）。

对比卧式安装电机和立式安装电机的负荷情况，不难发现，立式安装在电机内部轴承承受的负荷发生了很大的变化——所有的重力都变成了轴向负荷，而不是径向负荷。此时对于轴承类型选择的影响，后面会详细阐述。

（三）倾斜安装的电机

倾斜安装的电机内部轴承负载情况，不论凸缘端盖安装还是底脚安装，其承载情况如图3-5所示。

此时，电机转子重力和外界（联轴器或者带轮重力）载荷都既有轴向分量也有径向分量。因此需要根据电机安装的倾斜角度进行分解。

电机倾斜安装，转子重量的径向分量会使电机轴发生径向挠曲，因此有可能会产生单边磁拉力，此时单边磁拉力应该纳入考虑范围。

三、电机轴承结构配置的基本形式

（一）轴系轴向定位的三种方式

电机通过底脚和基础进行连接，同时通过轴伸端和外界负载进行连接。通常的电机轴伸端都有轴向最大窜动量的要求，也就是说不希望电机轴可以沿着轴向无限制地移动。因此，在轴承布置上就需要对电机轴进行轴向定位。电机轴的轴向定位多数是依靠轴承完成的，所以要在轴承室的设计上考虑对电机轴的轴向定位问题。而图3-6所示的轴承无定位方式，通常不采纳。

电机轴一般是一个双支撑点轴系，那么就有两种可能性进行轴向定位，一种是双支点轴向定位结构（见图3-7）；另一种是单支点轴向定位结构（见图3-8）。到底选用哪种呢？首先，我们知道电机在工作时定子和转子都会发热，这样机座和轴都会随之升温直至工作温度稳定为止。以普通内转子式电机为例，电机定子绕组发热会传导到定子铁心，再由定子铁心传导到定子机座。定子机座通常布置有散热筋（片）等结构，很多电机还会通过风扇进行冷却；另一方面，电机的转子绕组发热会传导到转子铁心，再传导到轴上。转子的散热只有通过气隙以及电机内部的其他空间进行。因此，相比之下，电机转子的散热相对于定子而言明显要差很多。通常而言，电机的转子温度会高于定子。因此电机轴的热膨胀比例会比机座端盖大。这种膨胀包括轴向尺寸的膨胀和径向尺寸的膨胀。这两种尺寸的膨胀都会对电机轴承的运行产生影响。在电机轴承结构配置中，主要的影响因素是轴向膨胀。

假如对电机两端的轴承都进行轴向定位，如图3-7所示。那么，当电机运行于工作温度时，电机转子轴向长度的膨胀将会比机座轴向长度的膨胀大，这样就会对两个轴向固定的轴承产生随温度而变的轴向附加负荷。这个负荷不仅仅随温度而变化，同时还会受到电机形状、定转子热容量等的影响。因此，在进行轴承校核计算时，无法准确计算。这样的轴向附加负荷会对两套轴承的寿命产生影响，从而出现轴承的提前失效。所以通常不推荐两端轴承全部进行轴向固定的配制方法（小型电机交叉定位是一个特例，后续将要详述）。

既不能将两端轴承全部轴向放开，也不能将两端轴承全部轴向固定，那就只能使用一端轴承轴向固定，一端轴承轴向放开的轴承配置方法，如图3-8所示。在这个配置里，首先电机轴的轴向定位靠右边轴承完成。而当热膨胀发生时，左边轴承可以沿着轴向进行移动，从而消除了由于热膨胀带来的轴向附加负荷。

（二）定位端和浮动端轴承

前已述及，将电机的轴系通过一套轴承进行轴向固定；另一套轴承的轴向放开进行热膨胀轴向位移的调整。这样，把对轴系进行轴向固定的轴承叫作定位端轴承，而相应的可进行轴向位移的轴承叫作浮动端轴承。

1.定位端、浮动端轴承的轴承室固定

定位端轴承要对轴系进行轴向固定，因此就必须在轴承室设计时将轴承的轴向进行锁定。通常的布置如图3-9所示。

浮动端轴承要能够实现轴承的轴向位移。通常内转式卧式电机轴承内圈和轴之间配合相对比较紧，因此在热膨胀时轴带着轴承沿轴向位移，因此轴承外圈应该留出足够的偏移空间。通常的布置如图3-10所示。

2.定位端、浮动端轴承类型的选择

（1）定位端 定位端的轴承需要对轴系进行轴向定位，这套轴承就不可在轴承内部出现轴向移动。换言之，定位端轴承必须是可以承受轴向负荷的轴承。在前面的轴承介绍中已说明，深沟球轴承、角接触球轴承、调心滚子轴承等可以承受轴向负荷，因此这些轴承都可作为定位轴承。需要说明的是，单列角接触球轴承通常只能承受单向轴向负荷，因此它只可以对轴系进行单向定位。要注意的是，在承受反向轴向负荷时，单列角接触球轴承会脱开然后出现发热卡死等情况。所以，如果使用角接触球轴承作为定位轴承，要么配对使用，要么使用双列面对面或者背对背的角接触球轴承，要么加预负荷避免脱开。

电机设计人员经常会问：面对面配置的角接触球轴承和背对背配置的角接触球轴承在电机使用上有什么不同？首先说明一点，两个角接触球轴承配置在轴的两个支撑点上，这样的结构不属于定位端加浮动端结构。因此，轴的膨胀会影响到轴承内部游隙（预负荷）。这方面需要进行相关计算，以确定合适的推荐值。这种应用对圆锥滚子轴承同理，在齿轮箱中经常使用。对于电机生产厂而言有些吃力。但是将两个角接触球轴承配对放于定位端的应用是可以被采纳的定位端加浮动端结构。下面通过图3-11，以分开布置的角接触球轴承为例进行简单的说明。

图3-11a是面对面配置的角接触球轴承结构。从图中的负荷线（虚线）可以看出，两端轴承负荷线与轴中心线交点的距离为a。图3-11b是背对背配置的角接触球轴承结构，两轴承负荷线与轴中心点之间的距离为A。可以看到，背对背和面对面的一个区别是负荷线与轴心线交点之间的距离，背对背的大于面对面的，也就是说，背对背结构里支撑受力点间距大，轴系在垂直平面抗倾覆转矩的能力大。换言之，就是轴系刚性更好。当然，轴系刚性要根据需求取舍，有的轴系需要降低一些刚性，所以就需要选择面对面的配置。

以上说明对于配对角接触球轴承和圆锥滚子轴承在轴系的配置里同样有效。

（2）浮动端 浮动端轴承要求可以在轴升温尺寸变化时，轴承可以在轴承室内进行轴向的移动。因此通常让轴承与轴承室的配合适度放松就可以达成。深沟球轴承、圆柱滚子轴承、球面滚子轴承都可以作为浮动端轴承使用。其中，圆柱滚子轴承（NU和N系列），由于滚动体可以在滚道内部有润滑的情况下实现轴向移动，因此是非常良好的浮动端轴承。另外，由于圆柱滚子轴承内部结构可以实现在轴承内部的轴向移动，因此轴承内外圈的结构设计和定位端一致即可。大致如图3-12所示。

对于浮动端轴承而言，角接触球轴承、圆锥滚子轴承均是不适合被选用的。因为这两类轴承不可以在有剩余游隙的工况下运行。一旦出现反向受力，轴承内部会脱开，从而出现滚动体打滑和轴承发热烧毁的风险。

3.轴伸端和非轴伸端轴承

电机通常有轴伸端（或称为主轴伸端）和非轴伸端（或称为辅轴伸端）。轴伸端是负责将电机转矩输出（对电动机为输出，对发电机为输入）的部分。非轴伸端通常会连接冷却风扇、制动器和编码器（转子位置传感器，如旋转变压器）等。而电机轴承的定位端和浮动端是根据对电机轴的轴向定位需求而确定的。那么电机的定位端、浮动端和电机的轴伸端、非轴伸端的关系怎样确定呢？

（1）从温度变化带来的轴向窜动角度来看 首先我们来看把电机的定位端轴承放在电机的轴伸端的情况，如图3-13所示。

在图3-13中所示的结构中，定位端轴承位于轴伸端一侧。当电机由冷态工作到稳定温度时，电机轴的轴向膨胀会在定位端轴承两侧延展。在这个结构里，也就是在轴伸端轴承两侧轴向膨胀。对于轴伸端一侧的轴端而言，这里的轴向伸长量是基于轴伸端轴承（在这里是定位端）到轴端的距离L₁。

（2）再看把定位端轴承置于非轴伸端的情况 把定位端轴承置于非轴伸端的情况如图3-14所示。在图3-14的结构中，定位端轴承位于非轴伸端一侧。当电机由冷态工作到稳定温度时，电机轴的轴向膨胀同样在定位端轴承两侧延展。在这里，就是从非轴伸端轴承向轴伸端轴端的膨胀。对于轴伸端一侧的轴端而言，此时的轴向伸长是基于非轴伸端轴承（依然是定位端轴承）到轴端的距离L₂。

从上面的分析不难得出结论，如果是同一台电机，上述两种情况下L₂＞L₁，因此由温度带来的热膨胀量ΔL₂将大于ΔL₁。也就是将定位端轴承置于轴伸端时，电机由于工作温度变化带来的轴伸端伸长量（也就是温度引起的轴向窜动量）小于将定位端轴承置于非轴伸端时的情况。对于电机轴向窜动要求严格的场合，将轴承的定位端置于电机轴伸端将有利于控制电机轴向窜动（尤其对一些轴向长度较大的电机而言，这个影响更加明显）。

（3）从电机轴承布置的协调性角度看 在前面电机轴承承载的分析中可以知道，电机轴承（以卧式安装电机为例）承担着电机转子重量和电机轴伸端的轴向及径向负荷。如图3-15所示。

从轴承的受力简图，不需要计算也可以大致知道b₂处轴承的径向负荷会小于b₁处轴承的径向负荷。也就是轴伸端轴承的径向负荷会大于等于非轴伸端轴承的径向负荷。当然我们可以定性地估计，承受大负荷的轴承可能会大。

相应地，如果把轴伸端定义成定位端，那么，这个轴承除了承受比非轴伸端轴承更大的径向负荷之外，还需要承受轴向负荷。这样一来，轴伸端轴承的选择可能要比非轴伸端轴承大很多。

在这种情况下，我们宁可让负荷不大的非轴伸端轴承作为定位端来承受轴向负荷，以使得电机轴承总体设计得更协调。这种协调的总体设计会避免轴伸端轴承选择过大而带来的成本增加，同时也避免了非轴伸端轴承可能出现的最小负荷不足的问题。

当然，如果电机没有外界径向负荷，那么仅仅当转子重量作为两套轴承的径向负荷时，两端轴承的承载相似，这样，用哪一端作为定位端轴承带来的轴承结构配置协调性问题就不突出了。此时，轴向窜动的因素将会变成主流因素来考虑。

（三）不同安装方式定位端与浮动端轴承的受力

1.卧式安装电机内部轴承的承载

对于卧式安装电机，其转子重量、联轴器重量、带轮重量、单边磁拉力等所有的径向负荷都由电机两端轴承共同承担；外界轴向负荷由定位端轴承承担，浮动端轴承不承担此负荷。

2.立式安装电机内部轴承的承载

对于立式安装电机，其转子重量、联轴器重量、带轮重量等负荷全部是轴向负荷，这些负荷全部由电机定位端轴承承担；外界带轮张力等径向负荷由两套轴承共同承担。

通常，电机选用的轴承中径向轴承居多（深沟球轴承、圆柱滚子轴承和球面滚子轴承都属于径向轴承），因此，这类结构中通常是在定位端使用径向轴承的轴向承载能力。对立式安装电机中的浮动端轴承而言，若外界没有径向负荷的话，此处轴承几乎不需要承载，所以经常出现由于最小负荷不足的情况从而产生明显的轴承噪声、发热甚至烧毁的情况。一般情况下，建议此类电机浮动端所用的轴承选择相对适应轻载的轴承系列，同时降低润滑脂的稠度，在可能的情况下，添加预负荷，以避免轴承承受负荷达不到滚动所需的最小负荷值。

从上面的分析可以看出，很多用户简单地把卧式安装电机进行立式安装的做法是十分有害的。对于小型电机，由于轴承内部承载的富余量较大，有时不一定出现故障，但实际上电机内部轴承承载已经完全不同。这点需要电机使用者和电机设计人员一起注意。