Bearing system design in outer rotor high speed motor
Martikainen, Iikka (2020)
Diplomityö
Martikainen, Iikka
2020
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020081148358
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020081148358
Tiivistelmä
The aim of this thesis was to figure out the factors effecting bearing systems operation and find the tools needed for selecting bearings for an outer rotor application. The thesis was made as a part of electric motor prototype project and rotor of the prototype was studied. Selecting correct bearings and studying dynamic response is vital part of designing safe rotating machine.
Bearing lifetime calculations were used to select suitable bearings for the application. When bearings were selected, the bearing stiffnesses were calculated with model presented in literature. The bearing model was already implemented in a custom code. Effect of preload on bearing stiffness was analysed to select correct preload values for the system. Also the effects of thermal expansion to stiffness were studied.
Rotor dynamic analysis was conducted with finite element method to ensure that motor could be operated safely. Sensitivity of the dynamic response to the bearing location was analysed to achieve optimal bearing locations.
Rotor dynamic properties of the rotor were found to be safe for operation within the operating speed range. It was found that above certain threshold the preload force and distance between the bearings did not have significant effect on the dynamic response of the rotor. Thus, the system is not very sensitive to changes in bearing arrangement. To fully understand dynamic behaviour of the machine, dynamics of the stator and support structures would need to be studied further. Although thermal expansion effects could be studied further, thermal expansions effect on bearings can be limited to safe level, by using constant force preloading method. Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli löytää laakerisysteemin toimintaan vaikuttavat tekijä sekä laakerin valintatyökalut ulkoroottorisovellukseen. Opinnäyte on tehty osana protyyppisähkömoottoriprojektia, jonka roottoria opinnäytteessä tutkitaan. Sopivien laakerien valinta ja dynaamisen vasteen tutkiminen on olennainen osa turvallisten pyörivien laitteiden suunnittelua.
Laakerien kestoikälaskelmia käytettiin käyttökohteeseen sopivien laakerien valintaan. Kun laakerit oli valittu, laakerien jäykkyys laskettiin kirjallisuudessa esitellyllä mallilla. Laakerimalli oli jo ennalta implementoitu erikoisvalmisteiseksi koodiksi. Esikiristyksen vaikutuksia laakerien jäykkyyksiin analysoitiin oikean esikiristysvoiman valitsemiseksi. Myös lämpölaajenemisen vaikutuksia laakerijäykkyyteen tutkittiin.
Roottoridynaaminen analyysi suoritettiin elementtimenetelmää käyttäen, jotta voitiin varmistaa moottorin turvallinen käyttö. Dynaamisen vasteen herkkyyttä laakerin sijainnille analysoitiin, jotta voitaisiin saavuttaa optimaalinen laakerien sijoittelu.
Tukimuksissa todettiin, että roottorin dynaamiset ominaisuudet ovat turvallisia käyttökierrosalueella. Huomattiin että tietyn kynnysarvon yläpuolella esikiristysvoimalla ja laakerien välisellä etäisyydellä ei ollut merkittävää vaikutusta roottorin dynaamiseen vasteeseen. Täten roottori ei ole kovinkaan herkkä muutoksille laakeriasetelmassa. Jotta täysin ymmärrettäisiin moottorin dynaaminen käytös, tulisi staattorin ja tukirakenteiden dynaamisia ominaisuuksia tutkia pidemmälle. Vaikka lämpölaajenemisen vaikutuksia voitaisiin tutkia enemmän, saatiin lämpölaajenemisen vaikutukset rajattu turvalliselle tasolle käyttämällä vakiovoima-esikiristysmenetelmää.
Bearing lifetime calculations were used to select suitable bearings for the application. When bearings were selected, the bearing stiffnesses were calculated with model presented in literature. The bearing model was already implemented in a custom code. Effect of preload on bearing stiffness was analysed to select correct preload values for the system. Also the effects of thermal expansion to stiffness were studied.
Rotor dynamic analysis was conducted with finite element method to ensure that motor could be operated safely. Sensitivity of the dynamic response to the bearing location was analysed to achieve optimal bearing locations.
Rotor dynamic properties of the rotor were found to be safe for operation within the operating speed range. It was found that above certain threshold the preload force and distance between the bearings did not have significant effect on the dynamic response of the rotor. Thus, the system is not very sensitive to changes in bearing arrangement. To fully understand dynamic behaviour of the machine, dynamics of the stator and support structures would need to be studied further. Although thermal expansion effects could be studied further, thermal expansions effect on bearings can be limited to safe level, by using constant force preloading method.
Laakerien kestoikälaskelmia käytettiin käyttökohteeseen sopivien laakerien valintaan. Kun laakerit oli valittu, laakerien jäykkyys laskettiin kirjallisuudessa esitellyllä mallilla. Laakerimalli oli jo ennalta implementoitu erikoisvalmisteiseksi koodiksi. Esikiristyksen vaikutuksia laakerien jäykkyyksiin analysoitiin oikean esikiristysvoiman valitsemiseksi. Myös lämpölaajenemisen vaikutuksia laakerijäykkyyteen tutkittiin.
Roottoridynaaminen analyysi suoritettiin elementtimenetelmää käyttäen, jotta voitiin varmistaa moottorin turvallinen käyttö. Dynaamisen vasteen herkkyyttä laakerin sijainnille analysoitiin, jotta voitaisiin saavuttaa optimaalinen laakerien sijoittelu.
Tukimuksissa todettiin, että roottorin dynaamiset ominaisuudet ovat turvallisia käyttökierrosalueella. Huomattiin että tietyn kynnysarvon yläpuolella esikiristysvoimalla ja laakerien välisellä etäisyydellä ei ollut merkittävää vaikutusta roottorin dynaamiseen vasteeseen. Täten roottori ei ole kovinkaan herkkä muutoksille laakeriasetelmassa. Jotta täysin ymmärrettäisiin moottorin dynaaminen käytös, tulisi staattorin ja tukirakenteiden dynaamisia ominaisuuksia tutkia pidemmälle. Vaikka lämpölaajenemisen vaikutuksia voitaisiin tutkia enemmän, saatiin lämpölaajenemisen vaikutukset rajattu turvalliselle tasolle käyttämällä vakiovoima-esikiristysmenetelmää.