第一節 電機軸承基本結構配置原理

一、電機軸承配置的基本概念

電機軸承的結構配置通常是指電機設計人員根據電機的承載和轉速需求，選擇出可以承載的軸承類型，并將其在軸系中進行機械布置的過程。因此，了解電機的承載工況就是十分關鍵的第一步。

前面已經討論了電機中常用的軸承承載能力，下面討論電機軸承的承載工況。

二、電機軸承的承載

電機軸系的承載系統可以承擔負荷的方向如圖3-1所示。

由圖3-1可知，電機軸系主要承受外界施加的負荷按照方向分，包括軸向負荷和徑向負荷（圖3-1中分別用F_a和F_r來表示）。

在三坐標系統中，除了軸向和徑向之外還有周向。如果電機軸承受的周向負荷構成力偶矩，則大小相當方向相反的兩個周向力相互抵消，如圖3-2所示。此時電機所承受的力偶矩對軸承不構成影響，外界轉矩和電機內部電磁轉矩相平衡。

如果電機軸端承受周向負荷，并不構成力偶矩，這個周向負荷從俯視角度就成為電機軸系的徑向負荷，應該納入考慮范圍。

電機有立式、臥式、傾斜安裝等不同的安裝方式。不同的電機安裝方式會導致電機內部軸承承載情況的不同，下面以內轉式（即內轉子式）電機為例分別介紹。

（一）臥式安裝電機

一般電機的軸系是兩支撐結構，對于臥式安裝電機，不論凸緣端蓋安裝還是底腳安裝，其軸承負荷情況大致如圖3-3所示。圖3-3中，粗實線表示電機轉子（或軸。后同）；G代表轉子重量；F_r代表徑向負荷；F_a代表軸向負荷。

電機作為機械系統的一部分，承受外界的（主要是加在軸伸端）軸向負荷和徑向負荷，同時承受周向轉矩負荷。

電機內部的軸承作為軸系的支撐點，承受由外界傳遞進來的軸向負荷和徑向負荷，并將這些負荷從轉軸通過軸承、電機端蓋傳遞到機座上。這些負荷包括外界聯軸器的重量（對于利用聯軸器直連的系統）、帶輪的重量和帶輪的帶張力（對于利用帶聯結傳動的系統）等負荷。

同時，電機作為轉矩輸出（對于電動機是輸出，對于發電機是輸入）裝置，其內部電磁轉矩將用于輸出到外部，通過軸伸端和外部轉矩相平衡。因此，軸承不承擔轉矩部分帶來的負荷。在電機軸承端直接連接齒輪的工況下，如果齒輪單側嚙合，則此負荷應該計入，因有時此負荷會用傳出轉矩的方式給出（為避免混淆，此處加以說明）。這就是前面說到的電機軸端周向負荷的計入方式。

另外，作為軸系的支撐，整個轉子的重量G也會作為軸承的徑向負荷由軸承承擔。

對于較細長的電機，如果軸的撓度使得電機內部產生相應的單邊磁拉力，那么，這個單邊磁拉力也會由軸承承擔。

綜上所述，電機（臥式安裝電機）軸承承受的負荷主要包括電機轉子的重量、單邊磁拉力、電機外界的徑向負荷（聯軸器重量和帶輪重量加帶張力等）、電機外界的軸向力（風葉推力及其他軸向推力）。

某些讀者可能會有一個誤解，認為電機的轉矩負荷應該計入軸承的徑向負荷。前已述及，轉矩不被計入。軸承在轉矩負荷中充當阻轉矩僅僅是作為損耗存在。

電機軸承結構配置設計中，大致了解負荷的狀態并且對負荷情況有一個定性的理解就可以繼續進行。但是，要對軸承規格的大小進行選擇，就需要對軸承負荷的大小進行定量的計算，從而用軸承的壽命計算來進行相應的校核。軸承負荷大小的選擇，在第五章滾動軸承壽命計算相關內容中有詳細的討論，此處不重復。

（二）立式安裝電機

對于立式安裝電機，不論凸緣端蓋安裝還是底腳安裝，其負荷情況大致如圖3-4所示。

在這種情況下，電機機座和外界相連，電機轉子的重量就成為了電機軸承的軸向負荷。外界如果連接帶輪，那么帶輪的重量也成為電機的軸向負荷，帶張力將成為電機的徑向負荷。如果電機是聯軸器連接，聯軸器重量則成為電機軸承軸向負荷。

同臥式安裝電機不同，立式安裝電機（排除加工誤差影響）不會產生由于轉軸撓度引起的定轉子中心線不重合，因此不會出現由于轉軸撓度產生的單邊磁拉力。所以此工況下單邊磁拉力不予考慮。

和臥式安裝電機相同的是，立式安裝電機的轉矩負荷通常依然不計入軸承負荷，道理和前面講述的相同（同樣軸端直接連接齒輪且齒輪單邊嚙合的情況單獨考慮）。

對比臥式安裝電機和立式安裝電機的負荷情況，不難發現，立式安裝在電機內部軸承承受的負荷發生了很大的變化——所有的重力都變成了軸向負荷，而不是徑向負荷。此時對于軸承類型選擇的影響，后面會詳細闡述。

（三）傾斜安裝的電機

傾斜安裝的電機內部軸承負載情況，不論凸緣端蓋安裝還是底腳安裝，其承載情況如圖3-5所示。

此時，電機轉子重力和外界（聯軸器或者帶輪重力）載荷都既有軸向分量也有徑向分量。因此需要根據電機安裝的傾斜角度進行分解。

電機傾斜安裝，轉子重量的徑向分量會使電機軸發生徑向撓曲，因此有可能會產生單邊磁拉力，此時單邊磁拉力應該納入考慮范圍。

三、電機軸承結構配置的基本形式

（一）軸系軸向定位的三種方式

電機通過底腳和基礎進行連接，同時通過軸伸端和外界負載進行連接。通常的電機軸伸端都有軸向最大竄動量的要求，也就是說不希望電機軸可以沿著軸向無限制地移動。因此，在軸承布置上就需要對電機軸進行軸向定位。電機軸的軸向定位多數是依靠軸承完成的，所以要在軸承室的設計上考慮對電機軸的軸向定位問題。而圖3-6所示的軸承無定位方式，通常不采納。

電機軸一般是一個雙支撐點軸系，那么就有兩種可能性進行軸向定位，一種是雙支點軸向定位結構（見圖3-7）；另一種是單支點軸向定位結構（見圖3-8）。到底選用哪種呢？首先，我們知道電機在工作時定子和轉子都會發熱，這樣機座和軸都會隨之升溫直至工作溫度穩定為止。以普通內轉子式電機為例，電機定子繞組發熱會傳導到定子鐵心，再由定子鐵心傳導到定子機座。定子機座通常布置有散熱筋（片）等結構，很多電機還會通過風扇進行冷卻；另一方面，電機的轉子繞組發熱會傳導到轉子鐵心，再傳導到軸上。轉子的散熱只有通過氣隙以及電機內部的其他空間進行。因此，相比之下，電機轉子的散熱相對于定子而言明顯要差很多。通常而言，電機的轉子溫度會高于定子。因此電機軸的熱膨脹比例會比機座端蓋大。這種膨脹包括軸向尺寸的膨脹和徑向尺寸的膨脹。這兩種尺寸的膨脹都會對電機軸承的運行產生影響。在電機軸承結構配置中，主要的影響因素是軸向膨脹。

假如對電機兩端的軸承都進行軸向定位，如圖3-7所示。那么，當電機運行于工作溫度時，電機轉子軸向長度的膨脹將會比機座軸向長度的膨脹大，這樣就會對兩個軸向固定的軸承產生隨溫度而變的軸向附加負荷。這個負荷不僅僅隨溫度而變化，同時還會受到電機形狀、定轉子熱容量等的影響。因此，在進行軸承校核計算時，無法準確計算。這樣的軸向附加負荷會對兩套軸承的壽命產生影響，從而出現軸承的提前失效。所以通常不推薦兩端軸承全部進行軸向固定的配制方法（小型電機交叉定位是一個特例，后續將要詳述）。

既不能將兩端軸承全部軸向放開，也不能將兩端軸承全部軸向固定，那就只能使用一端軸承軸向固定，一端軸承軸向放開的軸承配置方法，如圖3-8所示。在這個配置里，首先電機軸的軸向定位靠右邊軸承完成。而當熱膨脹發生時，左邊軸承可以沿著軸向進行移動，從而消除了由于熱膨脹帶來的軸向附加負荷。

（二）定位端和浮動端軸承

前已述及，將電機的軸系通過一套軸承進行軸向固定；另一套軸承的軸向放開進行熱膨脹軸向位移的調整。這樣，把對軸系進行軸向固定的軸承叫作定位端軸承，而相應的可進行軸向位移的軸承叫作浮動端軸承。

1.定位端、浮動端軸承的軸承室固定

定位端軸承要對軸系進行軸向固定，因此就必須在軸承室設計時將軸承的軸向進行鎖定。通常的布置如圖3-9所示。

浮動端軸承要能夠實現軸承的軸向位移。通常內轉式臥式電機軸承內圈和軸之間配合相對比較緊，因此在熱膨脹時軸帶著軸承沿軸向位移，因此軸承外圈應該留出足夠的偏移空間。通常的布置如圖3-10所示。

2.定位端、浮動端軸承類型的選擇

（1）定位端 定位端的軸承需要對軸系進行軸向定位，這套軸承就不可在軸承內部出現軸向移動。換言之，定位端軸承必須是可以承受軸向負荷的軸承。在前面的軸承介紹中已說明，深溝球軸承、角接觸球軸承、調心滾子軸承等可以承受軸向負荷，因此這些軸承都可作為定位軸承。需要說明的是，單列角接觸球軸承通常只能承受單向軸向負荷，因此它只可以對軸系進行單向定位。要注意的是，在承受反向軸向負荷時，單列角接觸球軸承會脫開然后出現發熱卡死等情況。所以，如果使用角接觸球軸承作為定位軸承，要么配對使用，要么使用雙列面對面或者背對背的角接觸球軸承，要么加預負荷避免脫開。

電機設計人員經常會問：面對面配置的角接觸球軸承和背對背配置的角接觸球軸承在電機使用上有什么不同？首先說明一點，兩個角接觸球軸承配置在軸的兩個支撐點上，這樣的結構不屬于定位端加浮動端結構。因此，軸的膨脹會影響到軸承內部游隙（預負荷）。這方面需要進行相關計算，以確定合適的推薦值。這種應用對圓錐滾子軸承同理，在齒輪箱中經常使用。對于電機生產廠而言有些吃力。但是將兩個角接觸球軸承配對放于定位端的應用是可以被采納的定位端加浮動端結構。下面通過圖3-11，以分開布置的角接觸球軸承為例進行簡單的說明。

圖3-11a是面對面配置的角接觸球軸承結構。從圖中的負荷線（虛線）可以看出，兩端軸承負荷線與軸中心線交點的距離為a。圖3-11b是背對背配置的角接觸球軸承結構，兩軸承負荷線與軸中心點之間的距離為A。可以看到，背對背和面對面的一個區別是負荷線與軸心線交點之間的距離，背對背的大于面對面的，也就是說，背對背結構里支撐受力點間距大，軸系在垂直平面抗傾覆轉矩的能力大。換言之，就是軸系剛性更好。當然，軸系剛性要根據需求取舍，有的軸系需要降低一些剛性，所以就需要選擇面對面的配置。

以上說明對于配對角接觸球軸承和圓錐滾子軸承在軸系的配置里同樣有效。

（2）浮動端 浮動端軸承要求可以在軸升溫尺寸變化時，軸承可以在軸承室內進行軸向的移動。因此通常讓軸承與軸承室的配合適度放松就可以達成。深溝球軸承、圓柱滾子軸承、球面滾子軸承都可以作為浮動端軸承使用。其中，圓柱滾子軸承（NU和N系列），由于滾動體可以在滾道內部有潤滑的情況下實現軸向移動，因此是非常良好的浮動端軸承。另外，由于圓柱滾子軸承內部結構可以實現在軸承內部的軸向移動，因此軸承內外圈的結構設計和定位端一致即可。大致如圖3-12所示。

對于浮動端軸承而言，角接觸球軸承、圓錐滾子軸承均是不適合被選用的。因為這兩類軸承不可以在有剩余游隙的工況下運行。一旦出現反向受力，軸承內部會脫開，從而出現滾動體打滑和軸承發熱燒毀的風險。

3.軸伸端和非軸伸端軸承

電機通常有軸伸端（或稱為主軸伸端）和非軸伸端（或稱為輔軸伸端）。軸伸端是負責將電機轉矩輸出（對電動機為輸出，對發電機為輸入）的部分。非軸伸端通常會連接冷卻風扇、制動器和編碼器（轉子位置傳感器，如旋轉變壓器）等。而電機軸承的定位端和浮動端是根據對電機軸的軸向定位需求而確定的。那么電機的定位端、浮動端和電機的軸伸端、非軸伸端的關系怎樣確定呢？

（1）從溫度變化帶來的軸向竄動角度來看 首先我們來看把電機的定位端軸承放在電機的軸伸端的情況，如圖3-13所示。

在圖3-13中所示的結構中，定位端軸承位于軸伸端一側。當電機由冷態工作到穩定溫度時，電機軸的軸向膨脹會在定位端軸承兩側延展。在這個結構里，也就是在軸伸端軸承兩側軸向膨脹。對于軸伸端一側的軸端而言，這里的軸向伸長量是基于軸伸端軸承（在這里是定位端）到軸端的距離L₁。

（2）再看把定位端軸承置于非軸伸端的情況 把定位端軸承置于非軸伸端的情況如圖3-14所示。在圖3-14的結構中，定位端軸承位于非軸伸端一側。當電機由冷態工作到穩定溫度時，電機軸的軸向膨脹同樣在定位端軸承兩側延展。在這里，就是從非軸伸端軸承向軸伸端軸端的膨脹。對于軸伸端一側的軸端而言，此時的軸向伸長是基于非軸伸端軸承（依然是定位端軸承）到軸端的距離L₂。

從上面的分析不難得出結論，如果是同一臺電機，上述兩種情況下L₂＞L₁，因此由溫度帶來的熱膨脹量ΔL₂將大于ΔL₁。也就是將定位端軸承置于軸伸端時，電機由于工作溫度變化帶來的軸伸端伸長量（也就是溫度引起的軸向竄動量）小于將定位端軸承置于非軸伸端時的情況。對于電機軸向竄動要求嚴格的場合，將軸承的定位端置于電機軸伸端將有利于控制電機軸向竄動（尤其對一些軸向長度較大的電機而言，這個影響更加明顯）。

（3）從電機軸承布置的協調性角度看 在前面電機軸承承載的分析中可以知道，電機軸承（以臥式安裝電機為例）承擔著電機轉子重量和電機軸伸端的軸向及徑向負荷。如圖3-15所示。

從軸承的受力簡圖，不需要計算也可以大致知道b₂處軸承的徑向負荷會小于b₁處軸承的徑向負荷。也就是軸伸端軸承的徑向負荷會大于等于非軸伸端軸承的徑向負荷。當然我們可以定性地估計，承受大負荷的軸承可能會大。

相應地，如果把軸伸端定義成定位端，那么，這個軸承除了承受比非軸伸端軸承更大的徑向負荷之外，還需要承受軸向負荷。這樣一來，軸伸端軸承的選擇可能要比非軸伸端軸承大很多。

在這種情況下，我們寧可讓負荷不大的非軸伸端軸承作為定位端來承受軸向負荷，以使得電機軸承總體設計得更協調。這種協調的總體設計會避免軸伸端軸承選擇過大而帶來的成本增加，同時也避免了非軸伸端軸承可能出現的最小負荷不足的問題。

當然，如果電機沒有外界徑向負荷，那么僅僅當轉子重量作為兩套軸承的徑向負荷時，兩端軸承的承載相似，這樣，用哪一端作為定位端軸承帶來的軸承結構配置協調性問題就不突出了。此時，軸向竄動的因素將會變成主流因素來考慮。

（三）不同安裝方式定位端與浮動端軸承的受力

1.臥式安裝電機內部軸承的承載

對于臥式安裝電機，其轉子重量、聯軸器重量、帶輪重量、單邊磁拉力等所有的徑向負荷都由電機兩端軸承共同承擔；外界軸向負荷由定位端軸承承擔，浮動端軸承不承擔此負荷。

2.立式安裝電機內部軸承的承載

對于立式安裝電機，其轉子重量、聯軸器重量、帶輪重量等負荷全部是軸向負荷，這些負荷全部由電機定位端軸承承擔；外界帶輪張力等徑向負荷由兩套軸承共同承擔。

通常，電機選用的軸承中徑向軸承居多（深溝球軸承、圓柱滾子軸承和球面滾子軸承都屬于徑向軸承），因此，這類結構中通常是在定位端使用徑向軸承的軸向承載能力。對立式安裝電機中的浮動端軸承而言，若外界沒有徑向負荷的話，此處軸承幾乎不需要承載，所以經常出現由于最小負荷不足的情況從而產生明顯的軸承噪聲、發熱甚至燒毀的情況。一般情況下，建議此類電機浮動端所用的軸承選擇相對適應輕載的軸承系列，同時降低潤滑脂的稠度，在可能的情況下，添加預負荷，以避免軸承承受負荷達不到滾動所需的最小負荷值。

從上面的分析可以看出，很多用戶簡單地把臥式安裝電機進行立式安裝的做法是十分有害的。對于小型電機，由于軸承內部承載的富余量較大，有時不一定出現故障，但實際上電機內部軸承承載已經完全不同。這點需要電機使用者和電機設計人員一起注意。