超高速轻量转子动平衡技术精密控制探究

王庆凯 张 玉 陈东锁 魏祥臣

（珠海凯邦电机制造有限公司 珠海 519110）

引言

由于本文从工艺、技术角度针对轻量高速转子的叶轮结构、其他组件关键尺寸的测量公差和装配方式的一致性（粘接胶量）保证、以及动平衡激光去重的方式进行全面、详细的分析和大量数据的统计，最终实现满足前期目标 的动平衡精度提升，满足家电产品高速下转子运转可靠、同时具备较优的声品质，提高支承部件的轴承的使用寿命、减少产品的功耗。

1 超高速轻量转子结构形式

超高速轻量转子结构由叶轮、去重块、轴承、轴承室、磁环等组件装配形成。转子结构形式如图1所示（关键组件标注），从结构角度分析，从转子结构间隙、轴承室装配尺寸优化、粘接强度设计、噪声实验确认等方面，以达到更加有针对性的实现对转子平衡度的精密控制。

图1 超高轻量速转子结构形式

考虑到对初始平衡量的影响，叶轮材质选用PEEK+30 %碳纤，可刚体结构稳定、耐热性强。轻质材料在降低初始动平衡量的同时，保证了质量上优化与提升。

1.1 转子结构间隙

根据叶轮结构模拟建模分析，对轮廓度进行精密测量，数据如图2所示。目前开模尺寸精度达到轮廓度0.2，与风罩装配间隙达到0.1 mm，提高了整体高速家用电机6 kPa个点的真空度数值，噪音强度下降。

图2 转子轮廓度测量

1.2 轴承室装配尺寸

轴承室与一体化轴承通过过盈配合装配，现有的高速转子轴承室的内径、圆度、粗糙度等公差精度为0.01，装配后，轴承外壁受力传到内部滚动体受力，导致运转速度受限，使用寿命严重降低等低质量隐患。

此超高速轻量转子尺寸公差标准：轴承内径0.005～0.001 4、粗糙度标准0.3～0.4、圆度标准0.004，装配尺寸精密到微米（um），使其轴承内部受力达到绝对受力值为0，很大程度提高了转子的使用寿命。

1.3 粘接强度保证

轴承的采用转轴与轴承一体式轴承，轴承与轴承室间隙配合涂胶固定，轴承支撑方式选择单边双轴承支撑，两轴承同轴度较好保证，且轴承与转子互不影响。

一体化轴承从结构上设计轴承两侧及转轴分段增加储胶槽，更容易控制胶水用量且增强结合强度，如图3所示。

图3 一体化轴承双位式凹槽结构

2 动平衡激光去重精密控制

根据轻量超高速转子对于工作转速远低于临界转速的转子，不平衡量引起的变形很小，可按刚体处理，动平衡可在低速下进行，在进行刚性转子动平衡时，各微段的不平衡量引起的离心惯性力系可以简化到任意选定的两个截面上去，在两个面（叶轮、去重块）上作相应的校正，实现动平衡的精密控制。

剩余不平衡量计算公式：

式中：

G—转子的平衡等级（mm/S）；

m—转子自身质量（kg）；

N—转子工作转速（r/min）；

R—转子的校正半径（mm）。

2.1 噪声测试

通过对其装配工艺研究，缩短动平衡校核、去重周期，满足动平衡精度要求，同时复测噪声，见表1噪声测试数据。其中二倍频噪音峰值与总值数据与原噪声数据相当，满足整机超高速运行下噪音要求。

表1 噪声测试数据

2.2 动平衡运行转速波动

根据前期高速轻量转子动平衡矫正，动平衡机显示运行速度与去重位置角度波动很大，属于不可控的动平衡精密数值，进行实验分析，规范运行转速。

拿取7个转子进行上机去重，在不同运行转速条件下，记录角度偏移数值，绘制曲线图4所示，控制运行转速在3 950～4 000（r/min）之间，角度偏移量在2.5 °～1.5 °之间，角度偏移量下降了11 °，输出的算法精度值提升了11个点，进一步提高了激光去重位置准确性，提高动平衡的精密稳定性。

图4 运行转速波动数据

2.3 动平衡设备精密保证

轻量高速转子采用圈带驱动，由于传动带具有减振作用，能减少驱动马达的振动对转子的影响，且转子不需要在平衡机上作准备，也不需要附加连接件如螺栓、插销等转换固定装置，因此安装迅速。与万向节驱动相比，它不存在结构间隙及安装几何偏差，能大大的提高测量精度。

2.4 激光精密去重分析

传统达到平衡的工艺是先在动平衡仪器上检测到超重部位，然后用手工操作（锉或钻床）去除多余重量，这样做速度慢、精度低；激光动态平衡去重的原理是在动平衡机测出不平衡点的瞬间用超快激光能量照射将其气化，整个去重过程在动态中进行，速度快且精度高。

轻量高度转子采用高精度数控方式，超高速轻量因需提高运行风向阻力，要在叶轮侧实现弧形去重形状，引进了动态聚焦激光头，激光波长达到1 600 nm，脉冲频率从1～20 Hz提高到1～40 Hz，最大单脉冲去除量从0.15 mg提高到0.5 mg，激光冷却方式选择水冷延长了设备的运行使用寿命，安全等级达到4级。

最后经过标准工时测量如图5所示，本研究主要从装配工艺研究，较大幅的缩短了动平衡校核在去重板块时间其中去重时间达到7 s，提升了生产效率，整体实现了15 s超高速轻量转子的动平衡精度校核，在生产节拍上达到行业的领先标杆。

图5 动平衡机检测及去重模拟运行数据

3 结论

本文针对超高速轻量转子动平衡技术精密控制探究，提出了一体化轴承、储胶槽、动态聚焦材质等设计方案。

经对转子总成的基础结构，装配方式，激光去重领域研究，达到了高速电机转子动平衡精度控制提升要求，关键指标的整机噪声低、运行可靠均已满足应用。