超高速輕量轉子動平衡技術精密控制探究

王慶凱 張 玉 陳東鎖 魏祥臣

（珠海凱邦電機制造有限公司 珠海 519110）

引言

由于本文從工藝、技術角度針對輕量高速轉子的葉輪結構、其他組件關鍵尺寸的測量公差和裝配方式的一致性（粘接膠量）保證、以及動平衡激光去重的方式進行全面、詳細的分析和大量數據的統計，最終實現滿足前期目標 的動平衡精度提升，滿足家電產品高速下轉子運轉可靠、同時具備較優的聲品質，提高支承部件的軸承的使用壽命、減少產品的功耗。

1 超高速輕量轉子結構形式

超高速輕量轉子結構由葉輪、去重塊、軸承、軸承室、磁環等組件裝配形成。轉子結構形式如圖1所示（關鍵組件標注），從結構角度分析，從轉子結構間隙、軸承室裝配尺寸優化、粘接強度設計、噪聲實驗確認等方面，以達到更加有針對性的實現對轉子平衡度的精密控制。

圖1 超高輕量速轉子結構形式

考慮到對初始平衡量的影響，葉輪材質選用PEEK+30 %碳纖，可剛體結構穩定、耐熱性強。輕質材料在降低初始動平衡量的同時，保證了質量上優化與提升。

1.1 轉子結構間隙

根據葉輪結構模擬建模分析，對輪廓度進行精密測量，數據如圖2所示。目前開模尺寸精度達到輪廓度0.2，與風罩裝配間隙達到0.1 mm，提高了整體高速家用電機6 kPa個點的真空度數值，噪音強度下降。

圖2 轉子輪廓度測量

1.2 軸承室裝配尺寸

軸承室與一體化軸承通過過盈配合裝配，現有的高速轉子軸承室的內徑、圓度、粗糙度等公差精度為0.01，裝配后，軸承外壁受力傳到內部滾動體受力，導致運轉速度受限，使用壽命嚴重降低等低質量隱患。

此超高速輕量轉子尺寸公差標準：軸承內徑0.005～0.001 4、粗糙度標準0.3～0.4、圓度標準0.004，裝配尺寸精密到微米（um），使其軸承內部受力達到絕對受力值為0，很大程度提高了轉子的使用壽命。

1.3 粘接強度保證

軸承的采用轉軸與軸承一體式軸承，軸承與軸承室間隙配合涂膠固定，軸承支撐方式選擇單邊雙軸承支撐，兩軸承同軸度較好保證，且軸承與轉子互不影響。

一體化軸承從結構上設計軸承兩側及轉軸分段增加儲膠槽，更容易控制膠水用量且增強結合強度，如圖3所示。

圖3 一體化軸承雙位式凹槽結構

2 動平衡激光去重精密控制

根據輕量超高速轉子對于工作轉速遠低于臨界轉速的轉子，不平衡量引起的變形很小，可按剛體處理，動平衡可在低速下進行，在進行剛性轉子動平衡時，各微段的不平衡量引起的離心慣性力系可以簡化到任意選定的兩個截面上去，在兩個面（葉輪、去重塊）上作相應的校正，實現動平衡的精密控制。

剩余不平衡量計算公式：

式中：

G—轉子的平衡等級（mm/S）；

m—轉子自身質量（kg）；

N—轉子工作轉速（r/min）；

R—轉子的校正半徑（mm）。

2.1 噪聲測試

通過對其裝配工藝研究，縮短動平衡校核、去重周期，滿足動平衡精度要求，同時復測噪聲，見表1噪聲測試數據。其中二倍頻噪音峰值與總值數據與原噪聲數據相當，滿足整機超高速運行下噪音要求。

表1 噪聲測試數據

2.2 動平衡運行轉速波動

根據前期高速輕量轉子動平衡矯正，動平衡機顯示運行速度與去重位置角度波動很大，屬于不可控的動平衡精密數值，進行實驗分析，規范運行轉速。

拿取7個轉子進行上機去重，在不同運行轉速條件下，記錄角度偏移數值，繪制曲線圖4所示，控制運行轉速在3 950～4 000（r/min）之間，角度偏移量在2.5 °～1.5 °之間，角度偏移量下降了11 °，輸出的算法精度值提升了11個點，進一步提高了激光去重位置準確性，提高動平衡的精密穩定性。

圖4 運行轉速波動數據

2.3 動平衡設備精密保證

輕量高速轉子采用圈帶驅動，由于傳動帶具有減振作用，能減少驅動馬達的振動對轉子的影響，且轉子不需要在平衡機上作準備，也不需要附加連接件如螺栓、插銷等轉換固定裝置，因此安裝迅速。與萬向節驅動相比，它不存在結構間隙及安裝幾何偏差，能大大的提高測量精度。

2.4 激光精密去重分析

傳統達到平衡的工藝是先在動平衡儀器上檢測到超重部位，然后用手工操作（銼或鉆床）去除多余重量，這樣做速度慢、精度低；激光動態平衡去重的原理是在動平衡機測出不平衡點的瞬間用超快激光能量照射將其氣化，整個去重過程在動態中進行，速度快且精度高。

輕量高度轉子采用高精度數控方式，超高速輕量因需提高運行風向阻力，要在葉輪側實現弧形去重形狀，引進了動態聚焦激光頭，激光波長達到1 600 nm，脈沖頻率從1～20 Hz提高到1～40 Hz，最大單脈沖去除量從0.15 mg提高到0.5 mg，激光冷卻方式選擇水冷延長了設備的運行使用壽命，安全等級達到4級。

最后經過標準工時測量如圖5所示，本研究主要從裝配工藝研究，較大幅的縮短了動平衡校核在去重板塊時間其中去重時間達到7 s，提升了生產效率，整體實現了15 s超高速輕量轉子的動平衡精度校核，在生產節拍上達到行業的領先標桿。

圖5 動平衡機檢測及去重模擬運行數據

3 結論

本文針對超高速輕量轉子動平衡技術精密控制探究，提出了一體化軸承、儲膠槽、動態聚焦材質等設計方案。

經對轉子總成的基礎結構，裝配方式，激光去重領域研究，達到了高速電機轉子動平衡精度控制提升要求，關鍵指標的整機噪聲低、運行可靠均已滿足應用。