第二节 电机轴承的典型配置方式及分析

前面就电机轴承结构配置的基本原则进行了一些阐述，本节将根据电机轴承结构的一些典型配置及其特点、应用范围以及常见问题进行分析，同时提出一些设计中需要注意的细节问题。需要强调的是，通常的轴承结构布置为很多电机设计人员所熟知，但是其原因以及其中的细节事项，还是很多人最大的困扰。注意这些细节，就会避免后续很多的电机轴承问题。

一、卧式安装电机基本轴承结构布置

卧式安装是电机中最常用的一种安装方式。前面已讲述过卧式安装电机内部轴承承载状况的不同，由此也带来轴承结构布置的不同。

（一）双深沟球轴承结构（DGBB+DGBB）

对于普通中小型电机，当电机外部不连接轴向和径向负荷时，经常使用两个深沟球轴承的结构布置。最常见的工况是中小型电机轴伸端通过联轴器连接外部转矩负荷；也有时是连接外部不太重的径向负荷，诸如小带轮等情况。

1.普通双深沟球轴承结构

（1）双深沟球轴承结构布置形式 电机中最常用的轴承结构配置是双深沟球轴承结构。顾名思义，此结构中电机定位端与浮动端轴承全部使用深沟球轴承。其基本布置情况如图3-16所示。

从图3-16中可见，右侧轴承作为定位端，左侧轴承作为浮动端。两套轴承共同承担电机的径向负荷，同时右侧轴承作为定位端轴承承担电机的轴向负荷。为减小电机噪声（见第七章电机运行中的轴承噪声及振动分析相关部分），在这种布置中对非定位端轴承（左侧）添加了一个弹簧垫圈（一般为波形弹簧）。

（2）双深沟球轴承结构承载特点及注意事项 这类结构中使用的两端轴承都是深沟球轴承，而深沟球轴承具有转速能力卓越但承载能力不高的特点。当电机转子重量不大、外界负载不大时，这类结构经常被使用。通常很多中小型电机都符合这个特点，因此这类结构在中小型电机中经常使用。

事实上，一些相对较大的电机，如果没有外界额外的大负荷，则选用相对较大的深沟球轴承也可以满足应用的要求。前面曾说过深沟球轴承承载能力不高，是相较于圆柱滚子轴承而言。通常通过寿命计算校核之后，很多场合深沟球轴承是可以胜任的。

一个典型的案例是风力发电机轴承配置。在早期风力发电机结构设计中存在一些争议，国内有不同的几种主张，其中，有用两柱一球轴承结构的（后续详述）；有用两个深沟球轴承的。在风力发电机的工况中，发电机两端轴承仅仅承受电机转子重量和外界联轴器重量。安装时允许最大5°的倾斜。其轴向、径向负荷均不算很大，经过计算，深沟球就可以满足。用圆柱滚子轴承，从轴承寿命计算的角度看，富余量很大，感觉安全系数更高。但是这样的情况下，圆柱滚子轴承会面临最小负荷不足的风险。实践证明，很多电机生产厂两柱一球轴承结构的风力发电机确实出现了由于最小负荷不足而带来的电机轴承噪声问题。到目前为止，当年曾倍受争议的功率为1～2.5MW的风力发电机（双馈型）普遍使用双深沟球轴承的结构。

2.交叉定位结构

（1）交叉定位结构布置形式 作为在小型电机中普遍使用的一种结构形式，如图3-17所示。

在这个结构中我们发现，既没有明确的定位端，也没有明确的浮动端。两套轴承分别在某一个方向上对轴进行轴向定位。我们通常称之为交叉定位。在交叉定位系统中，当电机转子在工作温度运行产生轴向膨胀时，这个轴向的膨胀力如果很大，就会对轴承产生危害；但如果这个轴向膨胀力很小时，这个轴向力就变成了电机两端轴承的一个轴向预负荷，不仅不会影响寿命，反而会在噪声控制上产生良性的影响。由此可见，这种结构应用在小型电机中是非常适合的，因为小型电机轴的长度短、温升相对差别不大，因此由膨胀带来的轴向附加负荷并不会很大。

（2）交叉定位结构承载特点 交叉定位系统经常被使用于小型电机当中。其承载特点与普通两轴承结构类似，承载能力不高，外界无额外的大的轴向和径向负荷，同时电机转速相对较高。

3.双深沟球轴承结构的预负荷问题

关于电机轴承的预负荷问题，长期困扰着一些电机设计人员，这其中包括预负荷的选取和如何实现此项预负荷。作者在很多电机现场见到预负荷虽然经过计算，但是实际电机安装时，预负荷施加无效。有的将弹簧彻底压扁，有的弹簧根本没有接触受力面。下面就此问题给出一个清楚的解答。

首先，不论在双深沟球轴承的结构中还是在交叉定位的结构中，为了减小电机轴承噪声（其原因在第七章电机运行中的轴承噪声及振动分析相关部分进行深入讨论），推荐对整个轴承系统施加一个轴向的预负荷。通常采用弹簧预负荷的方式施加，这个预负荷的大小可以按照下式计算：

F=kd

式中 F——预负荷值（N）；

k——系数；

d——轴承内径（mm）。

当为了减小轴承噪声，式中的系数k可以选取5～10。

通常，问题到这里还不能结束，因为电机设计人员需要解决如何实现这么大的预负荷。如果用弹簧对轴承系统施加预负荷，那么根据弹簧弹性形变可知

F=KΔL

ΔL=L-L₁

式中 F——预负荷值（N）；

K——弹簧弹性系数；

ΔL——弹簧变形量（mm）；

L——弹簧的初始长度（mm）；

L₁——弹簧承受预紧力压缩变形后的长度（mm），如图3-18所示；

k——系数；

d——轴承内径（mm）。

通过这些计算，在绘制电机图样时已经完成了为电机轴承施加预负荷的工作。电机设计人员在设计电机总装配图时，预留的这个L₁要根据电机轴承的预负荷并通过计算得出，而非随机给出（这一点，很多电机设计人员都曾经犯过错误，所以在此特意强调）。

当然，这个尺寸会受到很大的轴向累积公差的影响。正是考虑到这一点，我们在算预负荷时，给出的系数范围是5～10，此范围足够电机尺寸链累积公差的补偿。

另外，弹簧变形后长度L₁为弹簧初始长度L的0.5～0.75倍时，弹簧的弹力最佳。所以上述计算之后的L₁需要落入此区间，否则需要调整相应系数，以确保可靠。

4.O形圈问题

铝壳电机在小型电机中十分普遍。然而铝壳电机轴承座材质是铝，而轴承的材质是轴承钢，两种材质的热膨胀系数不同。铝的热膨胀系数几乎是钢的2倍。这样，如果在冷态选择合适的轴承室配合，那么在工作温度的稳态时，此处配合就会偏松。所以就会出现轴承外圈跑圈的问题。

面对这个问题，很多电机生产厂采取了各种各样的应对措施。比如有的厂家使用加紧轴承室配合的方法。这样一方面增加了安装难度；另一方面，铝材质相对于钢而言比较软，当轴承装入轴承室后，轴承室本身就会发生变形。当温度升高时，依然会出现配合变松而跑圈的问题。

也有的电机生产厂使用胶水将轴承外圈和轴承座粘连在一起。这种方法显然对后期维护时的拆卸带来了不小的难度。并且，胶干后会变硬，从而影响了轴承外圈和轴承室的接触，此时的轴承室恐怕很难谈及圆度的问题。由第七章电机运行中的轴承噪声及振动分析中相关部分不难得出结论：在这样的情况下，很容易出现噪声。

一个比较可靠的方法是在电机轴承室内加入一个O形圈。通常O形圈材质为橡胶。安装O形圈需要在电机轴承室内部开一个槽，以放置O形圈。推荐尺寸如图3-19所示。

如果b值过大，则O形圈不能发挥弹性作用阻止外圈跑圈；若b值过小，在安装轴承时十分容易将O形圈切开。

如果a值过大，会影响外圈和轴承室内部的接触，并影响对O形圈的支撑；若a值过小，则不能容纳橡胶圈的变形。

同时还需要考虑轴承倒角尺寸不至于切伤O形圈。

（二）一柱一球轴承结构（CRB+DGBB）

当因电机连接的外部径向负荷比较重，深沟球轴承的径向负荷能力不足以承担时（通过寿命校核，如果选用轴承的寿命过短，就说明承载能力不能符合要求），通常考虑引入圆柱滚子轴承。在中小型电机中，若外部连接带轮负荷，而带轮的张力较大时，通常会使用圆柱滚子轴承加深沟球轴承的轴承结构布置，即一柱一球轴承结构布置。

1.一柱一球轴承结构布置形式及选型建议

此类电机的轴承结构布置如图3-20所示。电机常用的圆柱滚子轴承多为NU系列和N系列。图3-20所示的例子中使用的是NU系列的圆柱滚子轴承。前已述及，NU系列圆柱滚子轴承不具备轴向承载能力，因此不可以作为定位端轴承。因此这个系统中用深沟球轴承作为定位端轴承对轴系进行轴向定位。

另外，由于外界承载较重的径向负荷，因此把圆柱滚子轴承布置在轴伸端以承受这个较重的径向负荷。

2.一柱一球轴承结构承载特点及注意事项

一柱一球轴承结构受力大致情况如图3-21所示。可以很容易地计算出圆柱滚子轴承和深沟球轴承的径向负荷如下：

对于圆柱滚子轴承

对于深沟球轴承

显然，F_r1＞F_r2。尤其当F_r很大时，圆柱滚子轴承的径向负荷将远大于深沟球轴承的径向负荷，甚至在一定情况下会出现F_r2为负值的情况。

因此，一柱一球轴承结构适用于径向负荷很大的电机中。同时需要引起注意的是非轴伸端深沟球轴承的负荷情况。当电机轴伸端的径向负荷足够大时，有可能出现非轴伸端的深沟球轴承最小负荷不足的问题，从而产生噪声和发热等情况。

另外一种经常出现的问题是，将这种电机轴承结构配置用于轴伸端径向负荷不大的场合。如果轴伸端负荷不大（或者为零），则电机轴伸端轴承和非轴伸端轴承所承受的负荷相差不大，而轴伸端使用了负荷能力很大的圆柱滚子轴承，这就很有可能出现圆柱滚子轴承最小负荷不足的情况，从而引发噪声等故障（在第七章电机运行中的轴承噪声及振动分析相关内容中所讲到的某钢厂的案例就是这种情况）。

（三）两柱一球轴承结构（2CRB+DGBB）

两柱一球轴承结构是电机设计中经常使用的经典轴承结构布置方式，经常在中大型电机中出现。中大型电机自重很大，电机轴承即便仅仅支撑转子重量，其负荷也已经十分大了。选用深沟球轴承作为轴伸端轴承使用，当进行负荷校核时，如果寿命校核计算不达标，应该选用两柱一球轴承结构。

1.两柱一球轴承结构布置形式及注意事项

两柱一球轴承结构布置形式通常如图3-22所示。从图3-22中可见，两柱一球轴承结构的两个支撑端，一端使用一套圆柱滚子轴承，另一端使用一套圆柱滚子轴承加一套深沟球轴承的结构，如图3-22右侧和图3-23所示。由于圆柱滚子轴承（NU或N系列）不能承受轴向负荷，所以不能作为定位端轴承使用，因此在需要定位的一端和一套深沟球轴承配合使用，起到定位端的作用。

深沟球轴承和圆柱滚子轴承在定位端配合，起到定位端轴承承受轴向负荷和径向负荷的作用，其中圆柱滚子轴承负责承担径向负荷，深沟球轴承负责对轴系进行轴向定位。因此在这个部位的轴承室加工时需要注意两个细节（参见图3-23）：①圆柱滚子轴承和深沟球轴承的轴承室尺寸应该不同。由于我们希望径向负荷由圆柱滚子轴承承担，因此深沟球轴承就需要在径向上放开，避免承担径向负荷。试想，如果两套轴承的轴承室支撑做成一样，那么就无法得知哪套轴承承担了多少径向负荷，有可能深沟球轴承承担了非预期的径向负荷，造成轴承失效。②由于深沟球轴承径向上被放开，就存在轴承外圈跑圈的可能性。因此需要对深沟球轴承的外部安装O形圈，以防止其跑圈。现实中，有些电机生产厂用轴向夹紧的方式来避免深沟球轴承跑圈，这种方法不如用O形圈可靠。

另一方面，两柱一球轴承结构两端都是圆柱滚子轴承，这个结构对电机的不对中（两端轴承室的轴线同轴度较差）十分敏感，因此需要在此方面多加注意。

在润滑角度，由于定位端圆柱滚子轴承和深沟球轴承安装在一起，因此确保两套轴承的润滑也十分重要。其再润滑时间间隔以最短的一套轴承再润滑时间间隔为准，并且保证油路通过两套轴承（后续油路部分详述）。

2.两柱一球轴承结构布置的承载特点及选型建议

两柱一球轴承结构适合于中大型电机，两端轴承承受一个比较重的径向负荷。在轴承的定位端使用深沟球轴承进行轴向定位。

通常在卧式安装的中大型电机中作为定位端使用的深沟球轴承所承受的轴向力并不大，因此在选择轴承时应选择轻系列的深沟球轴承，例如，如果能选用62系列，则尽量不选63系列。

另外，在这种两柱一球轴承结构布置中，由于圆柱滚子轴承的转速能力低于球轴承，因此往往在高转速的情况下，圆柱滚子轴承的转速会成为一个阻碍。许多电机生产厂在设计高速电机时会遇到这个问题。通常可行的做法有以下几种：

1）在满足负荷的情况下，尽量选择轻系列的圆柱滚子轴承。如10系列、2系列等。因为负荷越轻的系列轴承，其转速能力越高。

2）在轴径允许的情况下，尽量缩小轴承尺寸。因为轴承的转速能力通常用ndm值（轴承内径与外径算术平均值乘以转速）来衡量，能够减小轴承直径尺寸，可以在很大程度上提高其转速能力。

3）如果以上方法都无法满足转速要求时，建议校核重系列深沟球轴承是否能满足其负荷要求和转速要求。这是因为：首先，深沟球轴承转速能力比圆柱滚子轴承高；其次，随着现今轴承生产加工工艺和材质的改善，深沟球轴承的负荷能力已经较过去有很大提高，因此存在深沟球轴承替代圆柱滚子轴承的可能性（如果一旦替代，就会改成双球轴承结构）。

4）如果以上的方法均不能满足要求，则需要使用滑动轴承。

作者曾遇到一个案例，某电机厂总工程师邀请作者帮助进行电机成本优化。作者尝试用深沟球轴承对圆柱滚子轴承进行替代，在一些机型里确实得到了一定的预想结果。但是这种方式的可行性是有限的，并不是所有的圆柱滚子轴承都可以进行这样的替代。并且有些大型深沟球轴承的成本未必比相应尺寸的圆柱滚子轴承低；另一方面，受深沟球轴承的负载能力所限，技术上也难以做到。

在上述案例中，这位总工程师向作者提出：现在越来越多的客户为了取消齿轮箱，一味地提高对电机转速的要求。当然，在电机的电磁理论上很多情况都是可以做到的，但是在机械上，尤其是轴承上就出现了无法跨越的鸿沟。有时不得已而使用了滑动轴承。这样一来，省去了齿轮箱，貌似减少了成本、简化了结构，但是其实这些省出来的成本和结构又加到滑动轴承上。总体上未见得更有效。

百年前，在轴承的转速能力范围远大于电机调速范围时，控制调速等技术面临挑战，而机械方面留有较大的富余量。随着永磁电机、变频调速电机等技术的发展。调速技术开始对轴承转速范围提出了新的挑战。两者的挑战是良性的，但是，在电气上的简化，势必在机械上带来难度。就目前的技术发展而言，在很多情况下，单纯地依靠变频调速就提倡完全去掉齿轮箱，在很多场合下会遇到机械难度的阻碍。要解决这个问题，我们只能期待更新技术的发展，而不能过分地激进。

（四）双调心滚子轴承结构（SRB+SRB）

双调心滚子轴承结构布置在一些电机生产厂也有应用。调心滚子轴承有两列可调心的滚子，因此其径向负荷承载能力比圆柱滚子轴承还好，所以在重负荷的场合是一个可选择的轴承类型。

在双调心滚子轴承结构中，由于调心滚子轴承既具备轴向承载能力，也具备径向承载能力，因此它既可作为定位端轴承使用，也可以作为浮动端轴承使用，其布置方式和深沟球轴承类似。图3-24所示为非轴伸端作为浮动端，轴伸端作为定位端的双调心滚子轴承布置。

需要注意的是，双调心滚子轴承的结构不需要和双深沟球轴承结构一样施加预负荷。相应地，如果径向负荷不足时，一定的预负荷会造成调心滚子轴承非承载列负荷过轻的问题。

双调心滚子轴承结构的承载和双深沟球轴承的承载相似，只是载荷大小上远比深沟球轴承大。通常这种布置是在转速不高而承载能力超过了圆柱滚子轴承承载能力时采纳的一种解决方案。

双调心滚子轴承结构的转速能力不如前面几种轴承结构，在高速领域应给予谨慎使用。

（五）深沟球轴承加配对（面对面或者背对背）角接触球轴承结构[DGBB+ACBB（DB/DF）]

卧式安装电机在承受不是很大的轴向负荷时，可以使用深沟球轴承来承担。但如果轴向负荷较大，超过了深沟球轴承的承受能力，就需要采用深沟球轴承加配对角接触球轴承的轴承结构布置方式。

1.深沟球轴承加配对角接触球轴承的结构布置

深沟球轴承加配对角接触球轴承的结构布置如图3-25所示。

轴伸端使用两套面对面配置的角接触球轴承作为定位端；非轴伸端使用一套深沟球轴承作为浮动端，并且用弹簧施加预负荷以减少深沟球轴承噪声。

需要注意的是，作为定位端配对的角接触球轴承需要选用配对的角接触球轴承。并非任意两套角接触球轴承就可以配对，这需要对轴承圈断面进行特殊加工方可得到。有的品牌提供通用配对的角接触球轴承，但是多数厂家提供的单个角接触球轴承都不能任意配对，需要和厂家说明需要配对轴承。

判断角接触球轴承面对面或者背对背的方法是：两套角接触球轴承，外圈薄的一面相对是面对面配置；外圈厚的一面相对是背对背配置；一厚一薄的端面相对是串联安装配置。

2.面对面配置或者背对背配置对角接触球轴承配对后的预游隙和预负荷问题

通常，配对的角接触球轴承会被设置或内外圈压紧之后轴承内部剩余游隙或者预紧。这是通过调整轴承配对端面尺寸得到的。

如图3-26a所示，如果背对背安装的轴承外圈端面紧贴之后内圈端面仍有距离，那么压紧内圈之后轴承内部就会产生预紧；相反，如果内圈压紧、外圈之间有距离，则两套轴承圈压紧之后，轴承内部就会有剩余游隙。对于面对面安装的轴承如图3-26b所示，电机设计人员可以自己推断理解，此处不赘述。

需要指出的是，以上阐述的预游隙和预负荷都是指轴承处于未安装状态时的。当轴承安装到轴上之后，由于轴和轴承内圈的配合较紧，轴承内部的预游隙会被减少至预负荷状态。这正符合角接触球轴承的运行需求。除了安装配合，还要考虑温升变化的状态。因此，对于电机用户，不建议选择未安装情况下过大预负荷的配对角接触球轴承。

3.深沟球轴承加配对角接触球轴承结构的承载特性及注意事项

双列配对角接触球轴承可以承受较大的双向轴向负荷。因此，采用这种配置轴承结构的电机可以承受较大的双向或者单向轴向负荷。这些负荷由定位端配对角接触球轴承来承担。作为浮动端的深沟球轴承不承受外界的轴向负荷，但是和定位端轴承一起承担径向负荷。

由于配对的缘故，配对之后的角接触球轴承的转速能力为原来单个轴承的80%左右，因此电机设计人员在使用这个配置时需要注意转速限制。

如果电机承受单向的轴向负荷，有的电机生产厂会选用深沟球轴承加单个角接触球轴承的配置方式。如果单从受载角度看，貌似合理，但是，单个角接触球轴承只能承受单向轴向负荷，在不受载或反向受载时会出现轴承脱开、发热烧毁的现象。后面会提到，对于立式安装电机，短暂卧式安置可以通过施加预负荷的方式避免出问题；但对于一直处于卧式安装的电机，这个轴向预负荷需要一直施加，并且需要一些计算。另外，在安装时也需要十分小心。这些因素为电机的可靠性带来了很大的风险。基于以上考虑，建议电机设计人员，即便在电机只承受单向轴向负荷的工况下，还是可以使用配对角接触球轴承而不是单个轴承的结构布置方式。

（六）圆柱滚子轴承加配对（面对面或者背对背）角接触球轴承的结构[CRB+ACBB（DB/DF）]

卧式安装电机如果需要承受较大的轴向负荷和较大的径向负荷时，通常采用圆柱滚子轴承加配对角接触球轴承的结构布置方式。

1.圆柱滚子轴承加配对角接触球轴承的结构布置

圆柱滚子轴承加配对角接触球轴承的结构有两种方式，一种是非轴伸端采用面对面配置的角接触球轴承作为定位端，轴伸端使用圆柱滚子轴承作为浮动端，如图3-27a所示；另一种是轴伸端采用面对面配置的角接触球轴承作为定位端，非轴伸端使用圆柱滚子轴承作为浮动端，如图3-27b所示。

和前面的情况一样，配对角接触球轴承不能使用任意两套轴承放在一起使用，需要选用配对轴承。

圆柱滚子轴承作为浮动端轴承的用法中，由于圆柱滚子轴承本身不能承受轴向负荷，而是良好的浮动端轴承，因此只需将圆柱滚子轴承两端全部固定，轴承会在内部实现轴向浮动。

2.圆柱滚子轴承加配对（面对面或者背对背）角接触球轴承结构的承载特性及注意事项

在圆柱滚子轴承加配对角接触球轴承的结构布置中，全部轴向负荷由配对的角接触球轴承承担，同时圆柱滚子轴承和角接触球轴承一起承担径向负荷。

配对的角接触球轴承比单列轴承的径向负荷承载能力大，同时圆柱滚子轴承也有很大的径向负荷承载能力。因此这个配置不仅可以承受较大的轴向负荷，也可以承受较大的径向负荷。

在图3-27a中，把圆柱滚子轴承放置于轴伸端，这样，外界较大的径向负荷就主要由圆柱滚子轴承承担（在前面曾经分析过轴伸端与非轴伸端径向承载的差别）；同时，双向的轴向负荷由非轴伸端的配对角接触球轴承承担。由于定位端在非轴伸端，因此整个轴承系统的刚性弱于定位端在轴伸端的配置。

如果轴承系统承受的径向负荷主要来自内部而非外界，那么不妨考虑图3-27b给出的轴承结构配合方式。在这个轴承结构配置中，将图3-27a给出的定位端和浮动端轴承进行互换，即将定位端的配对角接触球轴承放置在轴伸端，将浮动端的圆柱滚子轴承放置在非轴伸端。这样一来，轴伸端为定位端，整个轴系统的刚性又有所提高，而外界并没有很大的径向负荷，因此圆柱滚子轴承和配对角接触球轴承共同承担较大的电机内部的径向负荷（通常就是转子重量）。由此可以推断，使用这种配置的电机通常是中大型电机。

二、立式安装电机基本轴承结构布置

立式安装电机和卧式安装电机内部轴承承载的方向有很大不同，因此立式安装电机也具有不同的轴承类型选择及其结构布置，本部分内容根据立式安装电机的大小（其实也就是轴向转子自重负荷的大小）来介绍一些典型的立式安装电机轴承结构布置，这其中一些布置也可以适用于轴向负荷很大的卧式安装电机。

（一）双深沟球轴承结构（DGBB+DGBB）

1.双深沟球轴承基本结构布置

对于小型立式安装电机，两个深沟球轴承的结构经常被使用，其布置如图3-28所示。和卧式安装电机一样，这种轴承布置也设置了定位端和浮动端。图3-28中轴伸端为定位端，非轴伸端为浮动端。同时，浮动端的轴承使用波形弹簧施加预负荷进行预紧。

2.双深沟球立式安装电机轴承承载及注意事项

前已述及，立式安装电机全部转子重量都变成轴承的轴向负荷，在双深沟球结构的立式安装电机中，所有的轴向负荷都施加在定位端深沟球轴承之上。由于深沟球轴承主要用于承载径向负荷，所以其轴向承载能力相比径向要弱。这个结构布置不可用于大轴向负荷的情况。因此，双深沟球轴承结构多用于小型立式安装电机中。同样的这类轴承结构布置的电机，应该可以承受一定的径向负荷，比如一定张力的带轮负载。

双深沟球结构立式安装电机，当外界没有径向负荷时，其浮动端轴承处于非常小的负荷或者无负荷状态，因此需要使用弹簧垫圈来施加一定的预负荷。这个预负荷的作用不仅仅在于减小噪声，更在于使浮动端深沟球轴承能承受一定的负荷，不至于小于最小负荷从而产生滑动摩擦而发热。

（二）深沟球轴承加角接触球轴承的结构（DGBB+ACBB）

对于中型立式安装电机，或者外界轴向负荷较大的电机，通常需要使用深沟球轴承加角接触球轴承的结构布置方式。

1.深沟球轴承加角接触球轴承的基本结构布置

深沟球轴承加角接触球轴承的基本结构布置如图3-29所示。在这个结构中，轴伸端使用深沟球轴承，非轴伸端使用角接触球轴承。由于角接触球轴承具有单向轴向承载能力，所以在相反方向上是不可以承载、不可以作为双向定位的。在这个结构中对轴伸端的深沟球轴承外圈安装弹簧，施加了一个向下的轴向力。这样一来，在两套轴承之间产生了对外圈的轴向力。在不承受外界负荷时，这个力刚好使角接触球轴承顶紧，同时又为深沟球轴承提供了预负荷。此时两套轴承的布置类似于交叉定位系统。

2.深沟球轴承加角接触球轴承结构的承载

在图3-29所示的深沟球轴承加角接触球轴承结构布置中，外界不承载时，以转子重力为主的轴向负荷施加在非轴伸端的角接触球轴承上；轴伸端的深沟球轴承承受弹簧施加的预负荷。当外界施加轴向负荷时，依然是非轴伸端角接触球轴承承受。从图3-29中不难发现，这种轴承结构布置的电机是用来承受和转子重力同向的轴向负荷的。当外界负荷反向向上时，如果这个负荷小于转子重力，那么轴系依然总体上承受一个向下的轴向负荷。此时两端轴承受力方向状态不变。但是当外界负荷大于转子重力时，非轴伸端的角接触球轴承就有反向脱开的风险（若略大于重力，此时弹簧预负荷还可以起一些作用。此处不详述，读者可自行分析）。一旦这种情况发生，角接触球轴承就会发热甚至烧毁。

3.深沟球加角接触球轴承结构的注意事项及常见问题

深沟球轴承加角接触球轴承的结构十分常用，但由于选型及使用不当而经常出现问题。因此在设计、试验和使用中需要注意以下问题：

（1）轴承受力方向 角接触球轴承承受单向轴向负荷，切不可反向使用，否则轴承在运行过程中会直接脱开，造成发热、保持架断裂，然后烧毁。一个简单判断角接触球轴承受力方向的方法是看轴承圈，通常表观上可以看到角接触球轴承在某一侧总是一个圈厚、一个圈薄，正确的推力施加方向应该在厚的一侧。

（2）此结构中深沟球轴承的预负荷 在深沟球轴承加角接触球轴承的结构中，要在深沟球轴承侧施加一个预负荷。此负荷会给角接触球轴承和深沟球轴承一个正确受力方向的预负荷，使两者都不致脱开。但是要判断好预负荷方向。以图3-29为例，如果此时将弹簧垫圈放置在深沟球轴承靠近轴伸端的一侧，而不是靠近转子铁心的一侧，则这个预负荷方向恰恰是使角接触球轴承脱开的方向，势必造成问题。

这些注意事项往往被一些电机生产厂忽视，因此会经常出现以下问题：

1）电机安装完毕，进行通电运转测试时，电机为卧式放置状态，发生了角接触球轴承烧毁的事故。从前面的分析可知，这类电机主要是承受轴向负荷，当电机处于立式放置时，即便没有外界负荷，轴承系统也会承受一定的轴向负荷，不至于使角接触球轴承脱开而出现发热烧毁的现象。但如果采取卧式放置状态下进行运转测试，则所有的轴向力都变成了径向力，此时角接触球轴承很容易烧毁。要解决这个问题，要么在测试时将电机处于立式放置状态，要么在电机内部深沟球轴处施加足够的预负荷。事实上，因为一直保持电机立式状态并不利于后续储运，所以后者是更可靠的方法。

2）电机在立式放置状态下进行运转试验，在外界直接连接轴向风叶负荷时，突然角接触球轴承发热烧毁。我们经常会遇到电机轴承直接连接轴流式风叶的情况，很多电机生产厂将电机送到客户处进行实地测试时，会遇到起动瞬间角接触球轴承发热甚至烧毁的情况。从流体动力学我们知道，轴流式风扇在起动时会有一个比较大的反向作用力。正是这个反向作用力，在电机起动时将使电机轴系承受一个比较大的反向轴向力（与设计时考虑的方向相反）。当然，不难得出结论，其中的角接触球轴承在这样的状态之下就会出现脱开烧毁的问题。其具体的解决方法还是在轴承系统内施加足够的弹簧预负荷，使整个转子在起动时不至于被反向拉动。轴向力的计算可以从风机生产厂家那里获得。轴向力的方向可以参考前面介绍的方法来确定。

3）电机在立式放置状态下进行运转试验，在外界未加负荷时，出现间歇性噪声、角接触球轴承发热甚至烧毁现象。作者曾经遇到的一个具体案例是：电机起动运行时，角接触球轴承发热，经检查发现是轴承表面疲劳、滚动不良所致。可是电机此时立式测试，外界并没有连接负荷。后经过仔细检查发现，电机内部定、转子轴向未对齐，当电机起动时，由于磁场的耦合，转子受电磁力的作用被向上拉，从而出现轴向位移。当时测试时转子重约1t，运行起来上浮了2mm。由此找到了轴承烧毁的原因。作者在卧式安装的电机中也曾遇到类似问题：电机出现周期性噪声，检查轴承无问题，后来更换转子，噪声消失。拆开检查转子，发现转子铁心压入尺寸超差（即定、转子轴向偏移量较大）。

（三）深沟球轴承加串联角接触球轴承结构[DGBB+ACBB（DT）]

立式安装电机如果轴向负荷很大，单个角接触球轴承无法承担时，可以采用串联角接触球轴承加深沟球轴承的结构布置方式。此布置方式与单个角接触球轴承加深沟球轴承的结构布置方式相似，但是增加了串联角接触球轴承，大大提升了轴向承载能力。

深沟球轴承加串联角接触球轴承的结构布置方式如图3-30所示。

在这种轴承结构布置中，两套串联的角接触球轴承承担大轴向负荷，轴伸端深沟球轴承被施加弹簧预负荷，同角接触球轴承构成交叉定位系统。这点和深沟球轴承加单个角接触球轴承类似，所不同的是，此时弹簧预负荷需要为两套串联的角接触球轴承在卧式而非受载情况下提供预负荷，因此需要的预负荷值比单套的要大。

和前面提及的配对角接触球轴承一样，串联布置的角接触球轴承也需要选择配对轴承，并非任意安装。同时，由于配对原因，配对角接触球轴承的最高转速相当于单套角接触球轴承的80%左右。

其余关于测试、安装和使用时的问题，类似于单个角接触球轴承与深沟球轴承的配置，请电机设计人员自行参考，此处不再重复。

（四）面对面或者背对背配对角接触球轴承加深沟球轴承的结构[ACBB（DB/DF+DGBB）]

立式安装电机如果需要承受较大的双向轴向负荷，而深沟球轴承经过校核无法满足需求时，通常选用面对面或背对背配对的角接触球轴承加深沟球轴承的结构配置方式。

面对面或者背对背配对角接触球轴承加深沟球轴承的结构配置方式如图3-31所示。从图3-31中可见，两个角接触球轴承面对面安装配对布置在非轴伸端作为定位轴承，单个深沟球轴承被布置在轴伸端作为浮动端轴承，同时在深沟球轴承上用弹簧施加预负荷。

采用这种轴承配置方式的立式电机能够承受双向的轴向负荷。

在这种电机的轴承结构中应该选择配对角接触球轴承，而不是任意两套轴承的搭配，同时需要选用合适的配对轴承以及预负荷（预游隙）组。和其他配对的角接触球轴承一样，配对轴承的转速能力是单个轴承的80%左右。

由于这种结构的立式电机定位端是一个刚性的能承受轴向和径向负荷的轴承组，这很像一个单独的深沟球轴承作为定位端的结构（当然刚性比单个深沟球轴承高）。因此，这类电机在安装测试时，如果采取卧式放置，不一定会造成什么伤害。

（五）圆柱滚子轴承加球面滚子推力轴承结构

在一些大型立式安装电机（诸如水轮发电机等）中，其转子自重作为很大的轴向负荷出现，在这种情况下，会使用一种圆柱滚子轴承加球面滚子推力轴承的比较特殊的结构布置方式，如图3-32所示。其中球面滚子推力轴承具有很大的轴向承载能力，同时具备一定的适应偏心的能力。因此整个电机立式安装的这一端就一直作为定位端。在另一端，使用圆柱滚子轴承作为浮动端轴承。

通常，球面滚子推力轴承的尺寸都较大，而其额定转速也不高，适应了这种电机的工况要求。

这种轴承结构，除了考虑轴承选型，还要考虑球面滚子轴承支撑部分在受载时的应变情况。这需要专门的有限元计算，以确保运行时支撑的可靠。本书对此不详细展开介绍，读者可自行参考相关资料。

三、电机轴承配置快速查询

前面就电机轴承结构配置进行了详细的讲述，这些轴承结构配置的介绍都是根据轴承自身特点和电机外界负荷特点进行展开的。为便于读者根据电机本身情况以及外界负荷情况进行快速查询，给出了一个总结查询表，见表3-1。

表3-1仅列出了根据电机负荷大小、方向等因素可能的轴承结构配置形式，读者可根据这个表进行查询得到相应的轴承结构布置形式，然后再在相应的章节里找到具体展开的介绍，以指导实际设计工作。

本表中还有如下限制条件：

①表中并未列出轴承处于轴伸端或者非轴伸端，同时表格中的推荐只是定性描述下的推荐，仅作参考。在实际工况中，要根据负荷大小及方向等因素，结合实际情况做相应的调整，切不可教条。

②表中对负荷的轻重等描述为定性描述。负荷的轻重根据轴径所要求的轴承承载能力来决定。其中轴径的最小值应该是可以传递扭矩所要求的最小直径，在这个直径基础上的轴承将按照C/P的值进行划分，得出轻、中、重负荷。或者，电机设计人员可以根据寿命计算来判断负荷对所选轴承来说是否过大或者过小。

③一个表不可能覆盖所有电机负荷类型的轴承结构布置选择。特种电机或特殊工况的电机的轴承结构布置要根据实际工况灵活选择。

四、一个四轴承结构的磨头电机配置轴承的选型特殊案例

某电机生产厂生产的磨头电机，其结构为四轴承结构（见图3-33），为其选择轴承配置。

该电机将双列面对面的两套角接触球轴承放置在非轴伸端；另外两套深沟球轴承放置在轴伸端（由于外界尺寸要求，前端不得不伸长，从而需要两套轴承进行支撑）。要求电机在承载轴向负荷时，电机轴的轴向窜动不超过0.02mm。

从图3-33中可以看到，角接触球轴承到轴伸端面的距离较长，在轴向负荷承载的情况下要求轴向窜动不超过0.02mm十分困难，即使不考虑轴的挠曲，细长轴的伸缩量也大大影响了这个尺寸精度要求。

当时作者发现，此电机生产厂选择面对面角接触球轴承中等预游隙配置。轴承安装后，刚性不足。后建议将面对面改为背对背，同时加紧轴和轴承室的配合，以提高刚性。问题得以解决。

但这并不是一个完美的解决方案，作者建议厂家后续可以考虑将角接触球轴承前置，这样磨头部分的刚性更好，更有利于保证轴向不超过0.02mm的窜动。

在这个结构中，轴承配置不属于我们前面介绍的电机轴承结构配置典型范畴。但这个配置充分利用了面对面配置角接触球轴承加深沟球轴承的结构，同时在调整配合、刚度等方面有一些独到之处，可以给读者一些启发。