汽车电机转子动平衡原理及设计

摘要：电机系列品种规格繁多，作为电机的心脏部位转子其质量水平及工艺差异对此类产品的影响起着至关重要的作用.随着生产生活需要，电机转子转速已逐渐朝着高转速、高精度的方向发展。因此作为核心生产工位转子的动平衡状态已越来越被广大电机制造技术人员所重视。本文根据动平衡精度、动平衡原理、加重或减重技术、电机动平衡改善工艺设计等角度说明，结合生产现状设计精确轻便的平衡系统的架构，最终目标起到减少汽车电机的振动和噪音，提高产品品质，延长产品寿命的作用。

关键词：汽车电机转子的不平衡量设计方法、校正方法、加重或减重技术、电机工艺设计及改善、未来电机发展的展望。

中图分类号： F407 文献标识码： A

1、引言

电机转子作为日常生活中常见的旋转部件，已广泛的应用在家用电器、机器人、电动工具及各类汽车产品中。但由于其结构不对称、材料质量不均匀或制造加工时的误差等原因，在高速旋转时造成了转动体机械上的不平衡，从而产生了重心对轴线的偏移。再通过偏心的惯性作用，在电机的转子部分恒久产生不平衡的离心力或离心力偶，从而引起了电动机振动噪音。

目前电动机运行噪音主要由机械噪音、电磁噪音、和空气动力噪音等构成。实践研究表明，三类噪音中机械噪音占65%-75%，电磁噪音约占25%，空气动力噪音约占10%以下，而引起电动机机械噪音的主要原因是电动机转子不平衡。即电动机转子不平衡在电动机运行中产生的周期性机械振动引起的噪音。由于电机不平衡最终会导致电机能量消耗，效率降低，加速磨损，使用寿命缩短等恶性不良影响。

而现在电机生产企业在降低电动机转子不平衡方面，除了提高零件设计精度、制造精度外，最有效的方法则是对电动机转子进行不平衡校正，其实质是调整转子部件的质量分布，使转子在转动时的离心力系达到平衡，以减少轴承上的附加动压力，降低电动机运行的机械振动和机械噪音。

2、汽车电机转子的不平衡量设计方法

目前确定转子允许不平衡量是一项很复杂的工作，因为在转子批量生产下，必须同时兼顾工艺的必要性，可能性和成本等诸多方面的因素。因此国际上还没有权威的确定机械允许不平衡量的理论计算方法，而目前只能确定了转子允许不平衡量的最有效方法是通过耐久实验作统计和分析确认。因此国家根据相关标准与企业的工艺能力选定精度等级，确定转子的平衡品质等级G值。

转子的平衡品质等级G在GB9239-88中将其分为11级，分别为G0.4、G1、G2.5、G6.3、G16、G40、G100、G250、G630、G1600和G4000.根据转子驱动的应用类型选择相应的等级标准。

表（1）分类标准表格如下

注：一般普通电机转子G值为6.3级

转子的平衡品质等级G与转子的不平衡е及转子最高工作转速ω相关，其公式为：

G=е*ω/1000 （1）

若n为转子的最高工作转速，单位为r/min ，则ω=2πn/60.

首先根据设计电机的实际应用选择平衡等级，其次再根据ω=2πn/60计算出转子的最高工作转速ω，最后再根据相应的已知参数输入到公式（1）中。其公式变形为 ：

е= G*1000/ω （2）

但目前生产制造企业电机都为批量生产品，由于部材等因素影响转速会有一定的波动范围，因此制造工厂一般参照表（2）确认不平衡量的应用区间。表（2）转子不平衡量区间查询表格如下

3、汽车电机转子不平衡量及校正的设计

所谓平衡状态是质量为m的部件在运动中附带惯性力，这些惯性力在运动部件内部相互抵消而对外部不施加任何力的状态。调整处于不平衡状态下运动部件的质量分布称为动平衡校正。因此转子的平衡工艺包括不平衡量的测量和校正两个步骤。平衡机主要用于不平衡量的测量，而不平衡量的校正则往往借助于钻床、铣床和点焊机等其他辅助设备，或用手工加胶的方法完成。随着科技的发展很多动平衡机制造商已经将不平衡量及校正设计成机电一体化设备。广泛应用于生产制造业。

针对不平衡量的测量值我们首先要明确电机设计时需要管控的是静不平衡量还是力偶不平衡量。

1）重力式平衡机一般称为静平衡机。它是依赖转子自身的重力作用来测量静不平衡的。有时也称作单面平衡机，即只能测量一个平面上的不平衡（静不平衡），它虽然是在转子旋转时进行测量，但仍属于静平衡机的静不平衡量。可以简单理解为转子在静止状态下的单方向不平衡量。

图（1） 静不平衡量简单图例

2）离心式平衡机是在转子旋转的状态下，根据转子不平衡引起的支承振动，或作用于支承的振动力来测量不平衡设备。也称作双面平衡机，即测量静不平衡和偶不平衡的动平衡机。力偶不平量可以简单理解为转子在运动过程中一对不平衡量

图（2）力偶不平衡量简单图例

因为电机都是在一定转速下进行应用的，自然不平衡质量会随着转子的旋转产生很多各方向的力偶不平量，再加上本身的净平衡。所以调整处于不平衡状态下运动部件的质量分布称为动平衡校正。图（3）首先选择了简单的2个不规则点分解到两个平面I、II的过程设计及计算方法。只有了解如下设计计算原理，其他复杂的不平衡量只是多个不规则点叠加在两个平面I、II的和计算。

图（3）动平衡量计算原理事例

在电机转子中，无论存在着任何形式的不平衡，都可在其平面I和平面II内加上或减去适当的平衡质量加以校正。假设已知转子的四分之一长度处，存在着一个0.004kg （如图3点）的不平衡质点，在转过90度的面上位于二分之一长度处，存在一个0.003kg（如图7点）的不平衡质点，决定平面I、II上的平衡质量时，可在离原来3点不平衡质点的180度处分别加上0.003kg （如图9点）和0.001kg（如图1点） 的平衡质量。对于7点的不平衡质点，可在和它相隔180度处的I、II平面上各加上0.0015kg （如图8和6点）的平衡质量。当转子旋转时，这些质量所产生的离心力彼此相互抵消，达到平衡。

平面I上的0.003kg 和0.0015kg的平衡质量间隔90度而且都在同一个圆周上，它们的合成质量可应用平行四边形法求得为：

同样，平面II上的合成质量为：

如果不平衡质点不在转子表面，可根据不平衡质量m和不平衡位置

半径r乘积 相等的原则转化到表面计算。由此可见，无论转子内部的

不平衡质量大或小，不管分布的位置如何复杂，每一个不平衡质量总能

用平面I、II上的两平衡质量平衡，而不论在平面I、II上有多少平衡质

量，总可合成一个总的平衡质量。所以无论转子内部的不平衡如何复杂，

总可在平面I、II内分别加上一个质量使转子平衡。

加重是 在已知该校正面上的不平衡量的反方向加一质量，使这附加

质量产生的不平衡量与原不平衡量抵消。加重可采用补焊、喷镀、胶接、

铆接、螺纹联接等方法。

去重是在已知该校正面上的不平衡量的相同方向上去掉一质量，使这

去掉的质量产生的不平衡量就是原来的不平衡量。去重方法可采用钻、

磨、铣、锉和激光打孔等方法。

4、电机转子不平衡量的工艺设计

事实上，任何一个需要平衡的电机转子，其不平衡点大小和位置都是

未知数，无法进行计算，只能用动平衡试验机，即在运转中测定两平面上

所应加重或减重的平衡质量的大小和相位。

动平衡机的精度和转子允许的动平衡精度是两种不同的概念，不可以混淆。动平衡机是一种机电一体化的检测设备，其机械部分是由底座、摆架（包括滚轮架）、传动装置和传感器等部件组成，即转子在摆架上旋转时，摆架上的微小振幅，通过传感器将机械信号供给电测箱的过程称为不平衡量的测试。动平衡机的精度是机械部分上的各环节的质量累加确认检出的。包含了零部件的加工误差、装配的同心度、传动装置中万向节和传动轮的误差、接套公差间隙配合误差及两只传感器的灵敏度和线性度匹配等影响因素。因此要最终获得精确的不平衡值及所对应的角度位置，要通过机械信号输入到电测箱后，在电测箱中通过各环节的运算、删除滤去无用信号后获得。电测箱的元器件质量、程序软件及线路设决定动平衡机的精度。目前国内企业均按照国际标准ISO2953：1999国际标准以及行业标准进行产品的出厂检验。对于通用平衡机检定可以按照国家标准《通用卧式平衡机校验法》（GB4201-84）和《立式平衡机检验法》（GB7622-87）为依据校验转子。

而电机机械动平衡品质的重要因素是转速，而影响转速的因素共分

为如下三大类：

第一类是转子转速，影响它的因素有质量、惯性矩、寸法、可允许剩余不

平衡量、转子特性、刚性、绕性等。

第二类是平衡机转速，影响它的因素有工作范围支承形式、驱动形式、

驱动功率和测量系统等。

第三类是整体转速，影响它的因素有准备工作、循环时间、必需的保护装置、

校正、能源消耗等。

虽然转子不平衡量是一项很复杂的工作，但是通过了解动平衡机的

电子原理，从几个大方向进行工艺设计及改善，最终达到提高产品品质，

延长转子寿命的目的。

图（4）电子动平衡原理图

第一类是测量模式的选择。一般不同平衡机的测量模式是不同，力检测应用“硬支撑”平衡机，而位移检测应用“软支撑”平衡机。因此从工艺角度上分析驱动系统便成为设计的首要因素。目前动平衡机驱动系统有皮带驱动系统、压缩空气驱动系统、开式电磁驱动系统、自驱动系统等几类。制造企业可以根据自己的需求和成本选择驱动系统。

图（5）特殊驱动系统模式图

目前制造企业可以根据作业效率、稳定性、作业性等因素选择动平衡的驱动系统。

其中经常应用的是皮带驱动系统中的切线式。原因设计简单、取放制品作业方便、设备维护及皮带更换方便，适合标准化生产。也可以根据生产需求选择上皮带式驱动系统和下皮带式驱动系统。虽然该两项更稳定但是由于治具之间摩擦影响对不平衡量有一定影响。同时作业员也不易操作。如下是皮带驱动系统模式模拟图形。

图（6）皮带驱动系统模式

第二项工艺上需要关注的是摆架和支撑座的选择。只有驱动系统、摆架和支撑座等外在因素越稳定，则影响汽车电机的平衡量的测定精度就越高。图（7）是我们经常设计及应用的摆架及支撑座设计模式。其中第2处及第3处是最佳模式。

图（7）摆架和支撑座设计模式

第三项是从测量信号分析，通过傅立叶分析方法将振动传感器信号波形过滤输入到测量系统中，进行判定。杂波过滤得越彻底，则动平衡测量数据精度越高。

图（8）过滤振动传感器信号原理图

因此在电机转子测定动平衡时，都要首先确认装置的温度、机械的稳定度、过滤开关、接触器发生电子脉冲的干扰及错误的发生频率及时间规律。即设备的初始化状态。

第四项从测量系统标准件校正分析。动平衡机的测量值精确取决于动平衡机初期标准件校正的精度。标准见本的基本做法是在铁芯转子同一面上标刻出水平的2处钉钻孔。注意该面一定作成角度传感器的水平面，然后将转子修正为左右动平衡均在0.010g以下，越小越好。最后选择标准钉重对动平衡机分别进行速度、不平衡量、角度校正。该标准件准确性越高则需要修正转子的修正效率越高。

图（9）标准见本事例

标准见本作为以后设备精度确认及校正的关键产品，长期应用。因此要特别注意其的精确度及状态。

仔细。

图（10）制造商和用户要求不平衡量标准

微电机的振动和减小噪声已越来越被广大电机制造技术人员所重视。转子的质量分布对其轴线而言，不均匀不对称的不平衡久存转子中。影响发电机的性能，缩短其使用寿命。因此微电机制造业及设计都希望对现有设计电机能进行精准的判定及修正。由于动平衡操作和计算复杂及因素过多，因此很多动平衡机制造企业通过改善力学传感器输出信号放大驱动学系统。将动平衡机设计便利准确满足各类微电机100%进行测定及修正，达到提高产品品质，延长产品寿命的作用。

结束语

最近几年，电机的生产工艺发生了翻天覆地的变化、电机的设计也正朝着集成化高科技等方向发展，因此传统的制造工艺终有一天会被新工艺取代。伴随科技的发展，目前的研究方向是对每台电机装载可编程芯片，通过程序控制的方法使电机处于稳定、平衡状态。虽然这种方法尚处于研究状态，相信在不远的将来会大量运用于生产实际中。