第二節 電機軸承的轉速
電機軸承的選擇需要考慮的另一個重要因素是轉速。以前電機調速技術不發達，電機所能運行的轉速范圍有限，而隨著電機調速和控制技術的發展，電機可運行的轉速范圍越來越寬，從而對機械零部件的轉速能力提出了挑戰，因此選擇正確轉速能力的軸承變得至關重要。
通常談及軸承轉速或者額定軸承轉速要討論兩個基本概念：軸承的熱參考轉速和機械極限轉速。
一、軸承的熱參考轉速
軸承旋轉時會發熱，并且隨著轉速的升高，這個發熱會越來越嚴重。因此國際上制定了一套軸承熱平衡條件，在這個條件下達到熱平衡的最高轉速就定義為軸承的熱參考轉速。
根據國際標準ISO 15312—2018《滾動軸承—熱轉速等級—計算》，確定熱參考轉速的給定軸承的參考條件如下。
（一）外圈固定、內圈旋轉的軸承
環境溫度20℃，軸承外圈溫度70℃。
對于徑向軸承：軸承徑向負荷為0.05倍額定徑負荷。
對于推力軸承：軸承軸向負荷為0.02倍額定徑負荷。
（二）普通游隙的開式軸承
1.對于油潤滑
潤滑劑：礦物油，無極壓添加劑。
對于徑向軸承：ISO VG32，40℃基礎油黏度為12mm2/s。
對于推力軸承：ISO VG68，40℃基礎油黏度為24mm2/s。
潤滑方法：脂潤滑。
潤滑量：以最低滾子中心線位置作為油位。
2.對于脂潤滑
潤滑劑：鋰基礦物油，基礎油黏度40℃時為（100～200）mm2/s。
對于這個定義，如果要轉換成實際工況下軸承的溫度，就需要進行一些調整計算，這里不進行計算的展開。電機設計人員可以咨詢軸承工程技術人員進行計算或者仿真。
電機設計人員需要了解的是，軸承的熱參考轉速標志的是軸承熱平衡狀態下的最高轉速。換言之，就是如果軸承運轉速度高于這個轉速，軸承就會過多地發熱。
但是，如果電機設計人員可以改善潤滑和散熱，使軸承即便運行在高于熱參考轉速的情況下，其溫度依然不至于過高，那么，即使超過這個轉速也是允許的，但前提是機械強度要足夠。
由此可知，軸承的熱參考轉速不是一個不可以超越的轉速限定，它標志著熱平衡下的轉速參考，在一些條件下（例如加強散熱）可以超越，但是這種超越需要謹慎處理。
二、軸承的機械極限轉速
在電機的熱參考轉速中已經說明，如果改善散熱，就可以超越熱參考轉速值，但究竟能夠超越多少？這里就涉及了軸承機械極限轉速的問題。
軸承的機械極限轉速是指在軸承運行于理想狀態下，軸承可以達到的機械和動力學極限轉速。也就是假定一切狀態理想，軸承自身旋轉在高速下，由于離心力的作用，其內部結構的機械強度將達到極限。標志此極限的轉速，就是軸承的機械極限轉速。
軸承的機械極限轉速與軸承類型、軸承內部設計等諸多因素相關。因此，不同類型的軸承，其機械極限轉速不同；相同型號的軸承，不同廠家設計生產的軸承，其機械極限轉速也可能有所不同。
由于軸承的機械極限轉速是一個極限的定義，因此在任何情況下都不應該在超過這個轉速的情況下應用軸承（軸承設計普遍的薄弱點是保持架，在超越機械極限轉速的情況下，經常出現的情況就是保持架斷裂）。
本書附錄C～附錄J給出了電機常用滾動軸承的極限轉速范圍，各種軸承的具體數據請查閱軸承樣本。
三、軸承熱參考轉速與機械極限轉速和其他因素之間的關系
在各個軸承生產廠家的軸承型錄中，都會發現一個問題：有的軸承的機械極限轉速高于熱參考轉速；有的軸承的熱參考轉速高于機械極限轉速。電機設計人員會發出這樣的問題：如果軸承的熱參考轉速高于其機械極限轉速，那就意味著電機軸承還沒有過熱時，其所承受的機械強度已經達到極限，軸承已經失效。如此一來，熱參考轉速如何得出呢？
事實上，軸承的熱參考轉速是一個熱平衡結果。當然，軸承生產廠家會根據ISO 15312—2018《滾動軸承—轉速等級—計算》來進行一些軸承轉速試驗，但是更多的情況下此值是一個熱量平衡計算值。而軸承型錄上的這個額定值也多數是一個計算值。
相應地，不同類型軸承熱參考轉速和機械極限轉速的相對高低揭示了軸承運行時限制轉速的主要矛盾所在。比如，深溝球軸承的熱參考轉速高于機械極限轉速，而圓柱滾子軸承則相反。這說明，在轉速升高的情況下，對深溝球軸承而言，發熱不是主要矛盾，而其機械強度（保持架強度）將是限制轉速的主要瓶頸；對圓柱滾子軸承而言，轉速提高時，由于該類軸承是線接觸的，散熱不利，因此其發熱是限制轉速的主要瓶頸，而其相對結實的保持架不是限制軸承轉速的主要因素。
所以，了解軸承結構，可以幫助我們理解軸承熱參考轉速和機械極限轉速之間的關系。
四、主要軸承品牌對軸承轉速的定義
上述軸承轉速的基本定義適用于幾乎所有的滾動軸承類型。因此在各個軸承生產廠家的綜合型錄里，對軸承轉速的定義基本上都涵蓋了這兩個基本概念。
多數主流軸承生產廠家直接引用了熱參考轉速和機械極限轉速的定義作為產品的額定轉速，但也有一些生產廠家將軸承的額定轉速定義為油潤滑和脂潤滑的額定轉速。
之所以有這樣的定義，是因為實踐中人們發現軸承在起動時，在使用油潤滑和脂潤滑兩種不同的潤滑條件下，軸承的溫度有所不同。對于油潤滑，溫度偏低；對于脂潤滑，溫度偏高。根據這個理解做了一系列實驗，從而界定了不同的額定轉速。從這個定義可以看出，這種額定轉速其實質上也是熱參考轉速的概念，只不過根據不同潤滑介質而定義出了不同的數值。但是在實際工況中，當軸承穩定運行時，油潤滑和脂潤滑所帶來的溫度差異并不十分顯著，所以很多主流軸承生產廠家又將這兩個轉速合并為統一的熱參考轉速。
由上述可知，當我們翻閱不同廠家軸承的型錄時，如果額定轉速只有油潤滑和脂潤滑的定義，就說明這里定義了熱參考轉速，并將其根據不同潤滑介質進行分列。如果廠家定義了一個熱參考轉速和一個機械極限轉速，就說明他們是合并了油潤滑和脂潤滑的熱參考轉速，同時也會提供機械極限轉速。
五、影響軸承轉速能力的重要因素
不同的軸承轉速能力不同。軸承高轉速運行時，其各個零部件的離心力，以及各個零部件的相互摩擦發熱等因素是影響軸承轉速能力的重要因素。
（一）軸承大小與軸承轉速能力的關系
從離心力的角度來看，由常識可知，軸承直徑越大，其零部件重量也越大，因此軸承高速旋轉時離心力也就越大，相應的軸承的轉速能力就會越低。由此可以得到第一個基本的規律：軸承越大，轉速能力越弱。
如果軸承內孔直徑相同，若對于同一種軸承（如深溝球軸承），重系列的軸承零部件體積和重量（主要是滾動體）大于輕系列的軸承；對于不同類型的軸承滾動體的重量，圓柱滾子軸承大于球軸承。而滾動體重量越大，高速轉動時離心力也就越大，因此其轉速能力也就越低。由此可得到第二個基本規律：相同內徑軸承的轉速能力，重系列軸承低于輕系列軸承；圓柱滾子軸承低于球滾子軸承。
通過以上兩個基本規律，在為高轉速電機選擇軸承時，如果想選擇轉速能力高的軸承就需要：
1）盡量選擇小軸徑軸承。
2）盡量選擇輕系列軸承。
3）盡量選擇球軸承，其次是單列圓柱滾子軸承，再次是雙列圓柱滾子軸承。
上述原則為一個通用的定性原則，不可以教條使用。具體選用時可以根據這些原則來確定，最后還是以校核軸承的熱參考轉速和機械極限轉速值為準。
（二）不同類型軸承的轉速能力
不同類型的軸承（考慮相同內徑），由于其內部設計結構等的不同，具有不同的轉速能力。圖2-2就某一個尺寸的軸承進行了對比，從中可以得到一些定性的結論。
圖2-2 不同類型軸承轉速能力
（三）軸承不同設計的轉速能力
對于相同軸承，根據不同需要，有時會使用不同的內部設計，這些不同的內部設計也帶來了軸承轉速能力的不同。其中最重要的是密封件和保持架的設計帶來的不同。
1.不同保持架設計的軸承轉速能力
保持架作為軸承重要的零部件，對軸承轉速能力有著重要的影響。
（1）從材質角度看 軸承常用的保持架材質主要有鋼、尼龍和銅3種[結構和代碼等內容詳見第一章第一節中第二（三）部分和第二節第三（二）部分]。
1）鋼保持架。鋼保持架具有強度高、使用溫度范圍寬、重量相對較輕的特點，是最常用的軸承保持架材質。由于鋼保持架的這些特點，此類軸承可以運行于較寬的溫度范圍和速度范圍。
2）尼龍保持架。尼龍保持架具有重量輕、彈性強、邊界潤滑性能良好的特點。尼龍保持架的強度在所有保持架材質中是最弱的，因此在具有較大振動場合和頻繁起停的工況下，容易出現斷裂。但由于它是所有常用保持架材質中最輕的，因此此類軸承的轉速能力最高，經常被使用于高速場合。尼龍保持架的應用有其溫度限制，通常的尼龍保持架溫度范圍是-40～120℃。
3）黃銅保持架。黃銅保持架具有強度高、抗振、加速性能優良、油潤滑下轉速能力卓越的特點。通常應用于有較大振動、頻繁起停、油潤滑的場合，以發揮其特性。但黃銅保持架價格相對較高，同時不能在有氨的環境下工作。有時會和一些油脂發生化學反應。因此在選用時要考慮這些因素。
（2）從保持架引導方式角度 軸承運轉時，保持架的運動軌跡受到滾動體運動和自身重力的影響，會被不斷地修正其運動軌跡，實現繞軸心的自轉。這種運動軌跡的修正就是通過保持架和滾動體或軸承圈的碰撞來完成的。通常，依照引導方式的不同，分為滾動體引導、外圈引導和內圈引導，如圖2-3所示。
圖2-3 圓柱滾子軸承保持架的三種引導方式示意圖
從圖2-3中可以看到，內圈和外圈引導的方式，其保持架距離內圈或者外圈比較近，靠和這個圈的碰撞修正運動軌跡。保持架和軸承圈之間的狹縫非常不利于脂潤滑。而對于油潤滑，由于虹吸作用，非常容易保持潤滑油。因此在使用脂潤滑，且ndm＞250000（式中，n為軸承轉速，單位為r/min；dm為軸承內外徑的算術平均值，單位為mm）時，不建議使用內圈或者外圈引導的軸承。
常見的軸承磨銅粉現象是由于使用了外圈或者內圈引導的軸承工作于過高的轉速，造成保持架和內外圈之間無法良好潤滑而產生的。如果無法更換軸承，而又無法改變成油潤滑，那么使用黏度低的油脂會有一些幫助，但仍然不能解決根本問題。
對于內外圈引導的保持架類型，在軸承運轉時，保持架需要和內圈或者外圈發生碰撞摩擦，而保持架和引導的軸承圈之間的距離很小，因此在不同潤滑方式下，表現出的軸承轉速能力不同。
1）脂潤滑時，保持架邊緣和引導的軸承圈之間的距離無法被油脂良好地潤滑，因此在一定轉速時（ndm＞250000時）會出現保持架和軸承圈之間的干摩擦（銅保持架軸承經常出現的掉銅粉現象，就是這種摩擦產生的）。所以，此時內外圈引導的軸承轉速能力會低于滾動體引導軸承的轉速能力。
2）油潤滑時，由于內圈或者外圈引導的軸承，保持架和引導的軸承圈之間有一個狹縫，這個狹縫對潤滑油來說會有一個虹吸作用，因此可以良好地將潤滑油吸附到保持架端部與軸承圈之間。在軸承高速運轉時，保持架和軸承圈之間的相對碰撞或者摩擦，都可以由潤滑油在其中起到很好的潤滑作用。因此，這種情況下，內外圈引導的軸承轉速能力會高于滾動體引導的軸承轉速能力。
上述由于保持架設計因素帶來的轉速能力不同在圓柱滾子軸承上十分常見。電機設計人員可以和相應品牌的軸承技術人員聯系，拿到更詳細的技術資料。因為品牌不同，設計方法和系數各不相同，此處不一一列舉。
保持架的加工方式等往往是軸承設計廠家已經設定好的，對于電機設計人員來說并沒有太多的選擇余地。但是對于最常用的中小型深溝球軸承以及一些圓柱滾子軸承，軸承生產廠家往往可以提供不同材質的保持架以供選擇。因此電機設計人員可根據實際工況，同時根據前面講述過的一些基本原則選擇合適的保持架類型。
比如，對于高轉速的場合，經常使用尼龍保持架；對于振動較大、需要頻繁起動的電機，可以選擇銅保持架；對于使用油潤滑的軸承，選擇內圈或者外圈引導的保持架等。
1）保持架材質方面。軸承保持架重量越輕，其自身離心力越小，軸承轉速能力越高。因此通常而言，尼龍保持架轉速能力最高，其次是鋼保持架，再次是銅保持架。
2）從保持架設計方面。保持架有引導和保持滾動體的功能，但其自身的運動也需要一些引導。從重量看，外圈引導最重，滾動體引導次之，內圈引導最次。除重量以外，不同類型的保持架結構也有所不同，因此導致其機械極限轉速能力不同。由于各個品牌設計不同，因此這方面的折算方法也不盡相同，以斯凱孚集團生產的圓柱滾子軸承為例，其圓柱滾子軸承不同保持架的機械極限轉速折算系數見表2-2。
表2-2 不同保持架的機械極限轉速折算系數
2.不同密封設計的軸承轉速能力
軸承密封結構和代碼等內容詳見第一章第一節中第二（二）部分和第二節第三（一）部分。
電機中常用的封閉式軸承主要是深溝球軸承。通常深溝球軸承的防護方式主要有兩大類：一類是加防塵蓋（見圖2-4）；另一類是加密封件（見圖2-5）。
（1）具有防塵蓋的深溝球軸承 具有防塵蓋的深溝球軸承的防塵蓋多為金屬材料，且防塵蓋固定于軸承外圈上，和軸承內圈有一個非常小的間隙，即不與內圈接觸。當軸承旋轉時，間隙中可能會分布一些油脂。由于防塵蓋和軸承內圈是非接觸形式的，所以防塵蓋通常不會影響軸承的轉速能力。因此具有防塵蓋的深溝球軸承的轉速能力與開式軸承相當。但其僅具備基本的防塵能力，而不具備密封能力，所以不能防護細微塵埃以及液體污染。
圖2-4 具有防塵蓋的深溝球軸承結構
圖2-5 兩種密封方式的深溝球軸承結構
（2）具有密封件的深溝球軸承 具有密封件的深溝球軸承的密封件多為橡膠材質（丁腈橡膠或者氟橡膠居多）。主流品牌提供輕接觸式密封（或者非接觸式密封，見圖2-5a）和接觸式密封（見圖2-5b）兩種防護能力的密封深溝球軸承，且其轉速能力不同。
輕接觸式（或者非接觸式）密封軸承，有的軸承生產廠家設計的密封件和內圈輕微接觸，有的并不接觸，但是具有一個類似迷宮的結構；接觸式密封軸承密封件和內圈有接觸，因此在軸承旋轉時，接觸的密封唇口和內圈之間產生摩擦，會發熱。就轉速能力而言，兩者相比，接觸式密封的軸承低于輕接觸式密封的軸承。
對比上述兩類（三種）軸承防護方式，會得到一個總體結論：密封效果較好的軸承，其運轉阻轉矩就會較大，高速運轉時會產生較多的熱量（由密封唇口和內圈之間的摩擦引起），其轉速能力也會較弱。
因各品牌密封件設計有所不同，致使密封件對轉速的影響程度各不相同。電機設計人員需要從所有品牌的產品型錄中找到對應值。
對于開式軸承，電機設計人員有時需要進行密封設計，以保護軸承。密封件起到密封作用是靠密封唇口和軸之間的壓緊而產生的。由密封件與軸之間的摩擦產生熱量的多少決定，與密封的唇口形狀設計、密封材質、軸的表面加工精度等相關。總體上來講，使用一般橡膠材料的密封件，密封唇口和軸之間的相對線速度建議不超過14m/s為宜。