Sähkömoottorin valetun laakerikilven toteutuskelpoisuus

Bearing shield is a part of an electrical machine. Its purpose is to support the bearing which in turn supports the rotor. Both sleeve and roiling bearings are used in the motors of this study. Motors with sleeve bearings require stiff rotor support due to the bending caused to the bearing shield by the bearing. Two-pole motors are sensitive to vibrations at a frequency that is twice the supply frequency. The natural frequencies of the shields must surpass this electromagnetic excitation. Motors with rolling bearings, in turn, need a bearing shield for which the axial natural frequencies surpass the most significant bearing pass frequencies. The object of this study was to examine whether it is feasible to manufacture the bearing shields for the entire motor family from cast iron instead of machining from steel while improving their functional properties cost-effectively. The additional goal was to reduce the number of shield variations thus reducing the costs for the moulds. Three different motors were modelled in order to verify the fulfilment of all the design criteria. The largest frame size was selected. The stiffness and damping properties of the bearings and the oil film of the sleeve bearing were modeled to correspond with the values provided by the bearing suppliers. The corrugated structure of the bearing shields compensated for the loss of material stiffness when transferring from steel to cast iron. Boundary conditions from the bearings, bearing accessories and motor structure were taken into account. The effect of rotor support stiffness to critical speeds was studied using rotor dynamic analysis and a design criterion was derived for the support stiffness of the sleeve bearing shield for multi-pole motors. Each design criterion was fulfilled by the bearing shields designed in the study, even though the numerous geometric boundary conditions prevented the design of an optimal structure. Furthermore the study showed that it is possible to reduce the number of shield variations. One generic sleeve bearing shield and one generic rolling bearing shield can be manufactured for each frame size of the motor family. Bearing shields for each bearing and pole number can then be machined from the generic shields. During the study, the mass of the generic rolling bearing shield was notably reduced when compared to the steel shield. Considering future research, the development path for the two-pole sleeve bearing shield is possible to differentiate from the generic sleeve bearing shield if either the size of the cast series or the dimensions of the shield restrict its execution. Similar deduction can be made if frequency converter drive is considered. If differentiated, the mass and support stiffness could be optimized. The generic rolling bearing shields for the smaller frame sizes can be developed from the bearing shield designed in this study.Laakerikilvet ovat sähkömoottorin osia, joiden tehtävänä on kannatella laakereita, jotka puolestaan kannattelevat pyörivää roottoria. Työssä tutkittujen moottorien roottorit on laakeroitu joko liuku- tai vierintälaakereilla. Liukulaakeroidut moottorit tarvitsevat jäykän roottorituennan johtuen liukulaakerin kilpeen aiheuttamasta taivutuksesta. Kaksinapaiset moottorit ovat herkkiä värähtelemään taajuudella, joka on syöttötaajuuden toinen kertaluku. Kilpien ominaistaajuuksien tulee ylittää tämä sähkömagneettinen herätetaajuus. Vierintälaakeroidut moottorit puolestaan tarvitsevat laakerikilven, jonka aksiaaliset ominaistaajuudet ylittävät laakereista aiheutuvat merkittävimmät herätteet. Työn tavoitteena oli selvittää voidaanko moottorituoteperheeseen toteuttaa uudet laakerikilvet valamalla teräksestä koneistamisen sijaan ja samalla parantaa niiden toiminnallisia ominaisuuksia kustannustehokkaasti. Lisätavoitteena valettujen laakerikilpien kehittelylle oli kilpivariaatioiden vähentäminen ja siten muottikustannusten pienentäminen. Työssä mallinnettiin kolme erilaista moottoria, jotta kaikkien suunnittelukriteerien täyttyminen voitiin varmistaa. Mallinnukseen valittiin tuoteperheen suurin akselikorkeus. Laakerien ja liukulaakerin öljykalvon jäykkyys- ja vaimennusominaisuudet mallinnettiin vastaamaan laakeritoimittajien antamia arvoja. Laakerikilpien aallotetulla rakenteella korvattiin rakenteellisesti materiaalin jäykkyyden menetystä siirryttäessä teräksestä valurautaan. Kilpien mallinnuksessa huomioitiin laakeroinnista, laakerivarusteista, ja moottorin rakenteesta johtuvat reunaehdot. Roottorin tuentajäykkyyden vaikutus kriittisiin nopeuksiin selvitettiin roottoridynaamisen analyysin avulla, mistä johdettiin suunnittelukriteeri useampinapaisen liukulaakerikilven tuentajäykkyydelle. Työssä kehitettiin kilpivariaatiot, jotka täyttivät kunkin suunnittelukriteerin, joskin lukuisten geometristen reunaehtojen johdosta täysin optimaalista rakennetta ei pystytty saavuttamaan. Lisäksi tutkimus osoitti, että kilpivariaatioiden lukumäärää voidaan vähentää. Kullekin runkokoolle on mahdollista valmistaa yksi yleinen liukulaakerikilpi ja yksi yleinen vierintälaakerikilpi, joista koneistamalla saadaan kaikille laakeroinneille ja napaluvuille sopivat kilvet. Etenkin vierintälaakeroidun yleiskilven massaa saatiin tiputettua merkittävästi verrattuna teräksiseen kilpeen. Jatkokehitystä varten kaksinapaisen liukulaakeroidun kilven kehityspolku on mahdollista eriyttää yleiskilpiratkaisusta, jos yleiskilven katsotaan olevan sarjakoon tai dimensioiden hankaloittavan sen toteutusta tai jos kaksinapaisten liukulaakeroitujen moottoreiden taajuusmuuttajakäyttöä halutaan harkita. Eriyttämällä kaksinapaisen liukulaakerikilven kehityspolku voitaisiin massa ja tuentajäykkyys optimoida oikealle tasolle. Vierintälaakerikilvet pienemmille akselikorkeuksille voidaan kehittää työssä suunnitellun yleiskilven pohjalta