第二节 电机轴承的转速
电机轴承的选择需要考虑的另一个重要因素是转速。以前电机调速技术不发达，电机所能运行的转速范围有限，而随着电机调速和控制技术的发展，电机可运行的转速范围越来越宽，从而对机械零部件的转速能力提出了挑战，因此选择正确转速能力的轴承变得至关重要。
通常谈及轴承转速或者额定轴承转速要讨论两个基本概念：轴承的热参考转速和机械极限转速。
一、轴承的热参考转速
轴承旋转时会发热，并且随着转速的升高，这个发热会越来越严重。因此国际上制定了一套轴承热平衡条件，在这个条件下达到热平衡的最高转速就定义为轴承的热参考转速。
根据国际标准ISO 15312—2018《滚动轴承—热转速等级—计算》，确定热参考转速的给定轴承的参考条件如下。
（一）外圈固定、内圈旋转的轴承
环境温度20℃，轴承外圈温度70℃。
对于径向轴承：轴承径向负荷为0.05倍额定径负荷。
对于推力轴承：轴承轴向负荷为0.02倍额定径负荷。
（二）普通游隙的开式轴承
1.对于油润滑
润滑剂：矿物油，无极压添加剂。
对于径向轴承：ISO VG32，40℃基础油黏度为12mm2/s。
对于推力轴承：ISO VG68，40℃基础油黏度为24mm2/s。
润滑方法：脂润滑。
润滑量：以最低滚子中心线位置作为油位。
2.对于脂润滑
润滑剂：锂基矿物油，基础油黏度40℃时为（100～200）mm2/s。
对于这个定义，如果要转换成实际工况下轴承的温度，就需要进行一些调整计算，这里不进行计算的展开。电机设计人员可以咨询轴承工程技术人员进行计算或者仿真。
电机设计人员需要了解的是，轴承的热参考转速标志的是轴承热平衡状态下的最高转速。换言之，就是如果轴承运转速度高于这个转速，轴承就会过多地发热。
但是，如果电机设计人员可以改善润滑和散热，使轴承即便运行在高于热参考转速的情况下，其温度依然不至于过高，那么，即使超过这个转速也是允许的，但前提是机械强度要足够。
由此可知，轴承的热参考转速不是一个不可以超越的转速限定，它标志着热平衡下的转速参考，在一些条件下（例如加强散热）可以超越，但是这种超越需要谨慎处理。
二、轴承的机械极限转速
在电机的热参考转速中已经说明，如果改善散热，就可以超越热参考转速值，但究竟能够超越多少？这里就涉及了轴承机械极限转速的问题。
轴承的机械极限转速是指在轴承运行于理想状态下，轴承可以达到的机械和动力学极限转速。也就是假定一切状态理想，轴承自身旋转在高速下，由于离心力的作用，其内部结构的机械强度将达到极限。标志此极限的转速，就是轴承的机械极限转速。
轴承的机械极限转速与轴承类型、轴承内部设计等诸多因素相关。因此，不同类型的轴承，其机械极限转速不同；相同型号的轴承，不同厂家设计生产的轴承，其机械极限转速也可能有所不同。
由于轴承的机械极限转速是一个极限的定义，因此在任何情况下都不应该在超过这个转速的情况下应用轴承（轴承设计普遍的薄弱点是保持架，在超越机械极限转速的情况下，经常出现的情况就是保持架断裂）。
本书附录C～附录J给出了电机常用滚动轴承的极限转速范围，各种轴承的具体数据请查阅轴承样本。
三、轴承热参考转速与机械极限转速和其他因素之间的关系
在各个轴承生产厂家的轴承型录中，都会发现一个问题：有的轴承的机械极限转速高于热参考转速；有的轴承的热参考转速高于机械极限转速。电机设计人员会发出这样的问题：如果轴承的热参考转速高于其机械极限转速，那就意味着电机轴承还没有过热时，其所承受的机械强度已经达到极限，轴承已经失效。如此一来，热参考转速如何得出呢？
事实上，轴承的热参考转速是一个热平衡结果。当然，轴承生产厂家会根据ISO 15312—2018《滚动轴承—转速等级—计算》来进行一些轴承转速试验，但是更多的情况下此值是一个热量平衡计算值。而轴承型录上的这个额定值也多数是一个计算值。
相应地，不同类型轴承热参考转速和机械极限转速的相对高低揭示了轴承运行时限制转速的主要矛盾所在。比如，深沟球轴承的热参考转速高于机械极限转速，而圆柱滚子轴承则相反。这说明，在转速升高的情况下，对深沟球轴承而言，发热不是主要矛盾，而其机械强度（保持架强度）将是限制转速的主要瓶颈；对圆柱滚子轴承而言，转速提高时，由于该类轴承是线接触的，散热不利，因此其发热是限制转速的主要瓶颈，而其相对结实的保持架不是限制轴承转速的主要因素。
所以，了解轴承结构，可以帮助我们理解轴承热参考转速和机械极限转速之间的关系。
四、主要轴承品牌对轴承转速的定义
上述轴承转速的基本定义适用于几乎所有的滚动轴承类型。因此在各个轴承生产厂家的综合型录里，对轴承转速的定义基本上都涵盖了这两个基本概念。
多数主流轴承生产厂家直接引用了热参考转速和机械极限转速的定义作为产品的额定转速，但也有一些生产厂家将轴承的额定转速定义为油润滑和脂润滑的额定转速。
之所以有这样的定义，是因为实践中人们发现轴承在起动时，在使用油润滑和脂润滑两种不同的润滑条件下，轴承的温度有所不同。对于油润滑，温度偏低；对于脂润滑，温度偏高。根据这个理解做了一系列实验，从而界定了不同的额定转速。从这个定义可以看出，这种额定转速其实质上也是热参考转速的概念，只不过根据不同润滑介质而定义出了不同的数值。但是在实际工况中，当轴承稳定运行时，油润滑和脂润滑所带来的温度差异并不十分显著，所以很多主流轴承生产厂家又将这两个转速合并为统一的热参考转速。
由上述可知，当我们翻阅不同厂家轴承的型录时，如果额定转速只有油润滑和脂润滑的定义，就说明这里定义了热参考转速，并将其根据不同润滑介质进行分列。如果厂家定义了一个热参考转速和一个机械极限转速，就说明他们是合并了油润滑和脂润滑的热参考转速，同时也会提供机械极限转速。
五、影响轴承转速能力的重要因素
不同的轴承转速能力不同。轴承高转速运行时，其各个零部件的离心力，以及各个零部件的相互摩擦发热等因素是影响轴承转速能力的重要因素。
（一）轴承大小与轴承转速能力的关系
从离心力的角度来看，由常识可知，轴承直径越大，其零部件重量也越大，因此轴承高速旋转时离心力也就越大，相应的轴承的转速能力就会越低。由此可以得到第一个基本的规律：轴承越大，转速能力越弱。
如果轴承内孔直径相同，若对于同一种轴承（如深沟球轴承），重系列的轴承零部件体积和重量（主要是滚动体）大于轻系列的轴承；对于不同类型的轴承滚动体的重量，圆柱滚子轴承大于球轴承。而滚动体重量越大，高速转动时离心力也就越大，因此其转速能力也就越低。由此可得到第二个基本规律：相同内径轴承的转速能力，重系列轴承低于轻系列轴承；圆柱滚子轴承低于球滚子轴承。
通过以上两个基本规律，在为高转速电机选择轴承时，如果想选择转速能力高的轴承就需要：
1）尽量选择小轴径轴承。
2）尽量选择轻系列轴承。
3）尽量选择球轴承，其次是单列圆柱滚子轴承，再次是双列圆柱滚子轴承。
上述原则为一个通用的定性原则，不可以教条使用。具体选用时可以根据这些原则来确定，最后还是以校核轴承的热参考转速和机械极限转速值为准。
（二）不同类型轴承的转速能力
不同类型的轴承（考虑相同内径），由于其内部设计结构等的不同，具有不同的转速能力。图2-2就某一个尺寸的轴承进行了对比，从中可以得到一些定性的结论。
图2-2 不同类型轴承转速能力
（三）轴承不同设计的转速能力
对于相同轴承，根据不同需要，有时会使用不同的内部设计，这些不同的内部设计也带来了轴承转速能力的不同。其中最重要的是密封件和保持架的设计带来的不同。
1.不同保持架设计的轴承转速能力
保持架作为轴承重要的零部件，对轴承转速能力有着重要的影响。
（1）从材质角度看 轴承常用的保持架材质主要有钢、尼龙和铜3种[结构和代码等内容详见第一章第一节中第二（三）部分和第二节第三（二）部分]。
1）钢保持架。钢保持架具有强度高、使用温度范围宽、重量相对较轻的特点，是最常用的轴承保持架材质。由于钢保持架的这些特点，此类轴承可以运行于较宽的温度范围和速度范围。
2）尼龙保持架。尼龙保持架具有重量轻、弹性强、边界润滑性能良好的特点。尼龙保持架的强度在所有保持架材质中是最弱的，因此在具有较大振动场合和频繁起停的工况下，容易出现断裂。但由于它是所有常用保持架材质中最轻的，因此此类轴承的转速能力最高，经常被使用于高速场合。尼龙保持架的应用有其温度限制，通常的尼龙保持架温度范围是-40～120℃。
3）黄铜保持架。黄铜保持架具有强度高、抗振、加速性能优良、油润滑下转速能力卓越的特点。通常应用于有较大振动、频繁起停、油润滑的场合，以发挥其特性。但黄铜保持架价格相对较高，同时不能在有氨的环境下工作。有时会和一些油脂发生化学反应。因此在选用时要考虑这些因素。
（2）从保持架引导方式角度 轴承运转时，保持架的运动轨迹受到滚动体运动和自身重力的影响，会被不断地修正其运动轨迹，实现绕轴心的自转。这种运动轨迹的修正就是通过保持架和滚动体或轴承圈的碰撞来完成的。通常，依照引导方式的不同，分为滚动体引导、外圈引导和内圈引导，如图2-3所示。
图2-3 圆柱滚子轴承保持架的三种引导方式示意图
从图2-3中可以看到，内圈和外圈引导的方式，其保持架距离内圈或者外圈比较近，靠和这个圈的碰撞修正运动轨迹。保持架和轴承圈之间的狭缝非常不利于脂润滑。而对于油润滑，由于虹吸作用，非常容易保持润滑油。因此在使用脂润滑，且ndm＞250000（式中，n为轴承转速，单位为r/min；dm为轴承内外径的算术平均值，单位为mm）时，不建议使用内圈或者外圈引导的轴承。
常见的轴承磨铜粉现象是由于使用了外圈或者内圈引导的轴承工作于过高的转速，造成保持架和内外圈之间无法良好润滑而产生的。如果无法更换轴承，而又无法改变成油润滑，那么使用黏度低的油脂会有一些帮助，但仍然不能解决根本问题。
对于内外圈引导的保持架类型，在轴承运转时，保持架需要和内圈或者外圈发生碰撞摩擦，而保持架和引导的轴承圈之间的距离很小，因此在不同润滑方式下，表现出的轴承转速能力不同。
1）脂润滑时，保持架边缘和引导的轴承圈之间的距离无法被油脂良好地润滑，因此在一定转速时（ndm＞250000时）会出现保持架和轴承圈之间的干摩擦（铜保持架轴承经常出现的掉铜粉现象，就是这种摩擦产生的）。所以，此时内外圈引导的轴承转速能力会低于滚动体引导轴承的转速能力。
2）油润滑时，由于内圈或者外圈引导的轴承，保持架和引导的轴承圈之间有一个狭缝，这个狭缝对润滑油来说会有一个虹吸作用，因此可以良好地将润滑油吸附到保持架端部与轴承圈之间。在轴承高速运转时，保持架和轴承圈之间的相对碰撞或者摩擦，都可以由润滑油在其中起到很好的润滑作用。因此，这种情况下，内外圈引导的轴承转速能力会高于滚动体引导的轴承转速能力。
上述由于保持架设计因素带来的转速能力不同在圆柱滚子轴承上十分常见。电机设计人员可以和相应品牌的轴承技术人员联系，拿到更详细的技术资料。因为品牌不同，设计方法和系数各不相同，此处不一一列举。
保持架的加工方式等往往是轴承设计厂家已经设定好的，对于电机设计人员来说并没有太多的选择余地。但是对于最常用的中小型深沟球轴承以及一些圆柱滚子轴承，轴承生产厂家往往可以提供不同材质的保持架以供选择。因此电机设计人员可根据实际工况，同时根据前面讲述过的一些基本原则选择合适的保持架类型。
比如，对于高转速的场合，经常使用尼龙保持架；对于振动较大、需要频繁起动的电机，可以选择铜保持架；对于使用油润滑的轴承，选择内圈或者外圈引导的保持架等。
1）保持架材质方面。轴承保持架重量越轻，其自身离心力越小，轴承转速能力越高。因此通常而言，尼龙保持架转速能力最高，其次是钢保持架，再次是铜保持架。
2）从保持架设计方面。保持架有引导和保持滚动体的功能，但其自身的运动也需要一些引导。从重量看，外圈引导最重，滚动体引导次之，内圈引导最次。除重量以外，不同类型的保持架结构也有所不同，因此导致其机械极限转速能力不同。由于各个品牌设计不同，因此这方面的折算方法也不尽相同，以斯凯孚集团生产的圆柱滚子轴承为例，其圆柱滚子轴承不同保持架的机械极限转速折算系数见表2-2。
表2-2 不同保持架的机械极限转速折算系数
2.不同密封设计的轴承转速能力
轴承密封结构和代码等内容详见第一章第一节中第二（二）部分和第二节第三（一）部分。
电机中常用的封闭式轴承主要是深沟球轴承。通常深沟球轴承的防护方式主要有两大类：一类是加防尘盖（见图2-4）；另一类是加密封件（见图2-5）。
（1）具有防尘盖的深沟球轴承 具有防尘盖的深沟球轴承的防尘盖多为金属材料，且防尘盖固定于轴承外圈上，和轴承内圈有一个非常小的间隙，即不与内圈接触。当轴承旋转时，间隙中可能会分布一些油脂。由于防尘盖和轴承内圈是非接触形式的，所以防尘盖通常不会影响轴承的转速能力。因此具有防尘盖的深沟球轴承的转速能力与开式轴承相当。但其仅具备基本的防尘能力，而不具备密封能力，所以不能防护细微尘埃以及液体污染。
图2-4 具有防尘盖的深沟球轴承结构
图2-5 两种密封方式的深沟球轴承结构
（2）具有密封件的深沟球轴承 具有密封件的深沟球轴承的密封件多为橡胶材质（丁腈橡胶或者氟橡胶居多）。主流品牌提供轻接触式密封（或者非接触式密封，见图2-5a）和接触式密封（见图2-5b）两种防护能力的密封深沟球轴承，且其转速能力不同。
轻接触式（或者非接触式）密封轴承，有的轴承生产厂家设计的密封件和内圈轻微接触，有的并不接触，但是具有一个类似迷宫的结构；接触式密封轴承密封件和内圈有接触，因此在轴承旋转时，接触的密封唇口和内圈之间产生摩擦，会发热。就转速能力而言，两者相比，接触式密封的轴承低于轻接触式密封的轴承。
对比上述两类（三种）轴承防护方式，会得到一个总体结论：密封效果较好的轴承，其运转阻转矩就会较大，高速运转时会产生较多的热量（由密封唇口和内圈之间的摩擦引起），其转速能力也会较弱。
因各品牌密封件设计有所不同，致使密封件对转速的影响程度各不相同。电机设计人员需要从所有品牌的产品型录中找到对应值。
对于开式轴承，电机设计人员有时需要进行密封设计，以保护轴承。密封件起到密封作用是靠密封唇口和轴之间的压紧而产生的。由密封件与轴之间的摩擦产生热量的多少决定，与密封的唇口形状设计、密封材质、轴的表面加工精度等相关。总体上来讲，使用一般橡胶材料的密封件，密封唇口和轴之间的相对线速度建议不超过14m/s为宜。