軸電流的防治安全技術(shù)措施研究與分析

周正弟

金順重機(jī)（江蘇）有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212132

1 高頻軸電流形成分析

軸電壓是指在電機(jī)運(yùn)行時(shí),電機(jī)兩軸承端或電機(jī)轉(zhuǎn)軸與軸承間所產(chǎn)生的電壓。在正常情況下,軸電壓較低時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)軸與軸承間存在的潤(rùn)滑油膜能起到較好的絕緣作用。但是,如果由于某些原因使得軸電壓升高到一定數(shù)值時(shí),就會(huì)擊穿油膜放電,構(gòu)成軸電流產(chǎn)生的回路。軸電流不但會(huì)破壞油膜的穩(wěn)定性,使?jié)櫥鋮s的油質(zhì)逐漸劣化,同時(shí),由于軸電流從軸承和轉(zhuǎn)軸的金屬接觸點(diǎn)通過(guò),金屬接觸點(diǎn)很小,電流密度很大, 這個(gè)電流是一個(gè)循環(huán)的高頻軸電流, 軸電流局部放電能量釋放產(chǎn)生的高溫,使軸承局部燒熔。被燒熔的軸承合金在碾壓力的作用下飛濺,將在軸承內(nèi)表面燒出小凹坑, 形成凹槽，顯著的特征是在電機(jī)軸承內(nèi)外圈、滾珠上產(chǎn)生“搓板”式密密的凹槽條紋。從而產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理將導(dǎo)致軸承失效，對(duì)生產(chǎn)帶來(lái)極大影響。最終,軸承會(huì)因機(jī)械磨損加速而破損,造成事故被迫停機(jī)。

軸電壓的產(chǎn)生與電機(jī)的尺寸、結(jié)構(gòu)也有很大關(guān)系，通常馬達(dá)功率越大，越會(huì)產(chǎn)生較大的軸電壓。

這種電壓通常由四種途徑產(chǎn)生。變頻器的高速斬波形成的共模電壓、馬達(dá)電纜、電機(jī)結(jié)構(gòu)和馬達(dá)周圍的磁場(chǎng)。

1.1 變頻器產(chǎn)生的共模電壓

通常情況下，一個(gè)典型的三相正弦電源室對(duì)稱平衡的。三相的矢量和永遠(yuǎn)為0。因此，一般中間電壓為0。然而，PWM轉(zhuǎn)換的三相電源與上述不同，該三相電壓是由直流電壓轉(zhuǎn)換而來(lái)。盡管輸出電壓的主頻率是對(duì)稱平衡的，這是不可能使三個(gè)輸出電壓的總和瞬間等于0結(jié)果中心點(diǎn)的電壓不為0。這個(gè)電壓被定義為共模電壓源。在任何負(fù)載的零點(diǎn)處都是可測(cè)量的，例如，馬達(dá)星型接法的中心點(diǎn)對(duì)地。

在現(xiàn)代交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中[1]，典型的三相PWM電源的中心點(diǎn)電壓明顯不為0，它的存在可以定義為共模電壓源。共模電壓流過(guò)定子繞組，于是在馬達(dá)內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)不平衡的磁場(chǎng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子在這個(gè)不平衡的磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子鼠籠的兩端就產(chǎn)生一個(gè)電壓，軸兩端電壓差就是整個(gè)軸電壓的一部分。

1.2 電纜離散電容產(chǎn)生的共模電壓

任何時(shí)間，兩個(gè)導(dǎo)體元件被一個(gè)絕緣體隔離時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電容。比如，電纜相線和接地線之間因?yàn)楸籔VC材料隔離，就會(huì)產(chǎn)生電容，比如，電機(jī)旋轉(zhuǎn)的線圈和電機(jī)座之間有搪瓷涂層和溝槽做隔離，因此兩者之間存在電容。相對(duì)對(duì)應(yīng)的三相電，在流經(jīng)電纜和電機(jī)繞組這個(gè)不平衡的電容時(shí)，由于電容的存在，使三相電壓的相位都有不同的相位差，也就是三相電壓流經(jīng)繞組時(shí)，已經(jīng)產(chǎn)生了不平衡的相電壓，于是定子繞組產(chǎn)生了不平衡的磁場(chǎng)，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子兩端也就形成電壓差，這個(gè)電壓差也是軸電壓的一部分。

1.3 電機(jī)內(nèi)部不平衡磁場(chǎng)產(chǎn)生的電壓

電機(jī)因扇形沖片、硅鋼片疊裝及鐵芯槽、通風(fēng)孔等存在不平衡磁阻，當(dāng)電流沿線圈泄漏到定子時(shí)，進(jìn)入定子線圈的電流的高頻含量大于離開(kāi)的電流[2]。

另外電機(jī)內(nèi)部的電容非常的小，小電容意味著低頻高阻抗，從而抑制離散電流。然而，快速增長(zhǎng)的現(xiàn)代電源產(chǎn)生的脈沖頻率很高，甚至有小電容在電機(jī)電流提供低阻抗的路徑，產(chǎn)生離散電流，使三相電流產(chǎn)生極其微弱偏差，同樣會(huì)使繞組產(chǎn)生不均勻磁場(chǎng)，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子兩端也就形成電壓差，這個(gè)電壓差也是軸電壓的一部分。

這個(gè)泄漏電流會(huì)產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)并在定子鐵片內(nèi)循環(huán)，在軸承兩端形成一個(gè)軸向電壓。如果電壓變得足夠大，會(huì)形成一個(gè)高頻循環(huán)電流，在電機(jī)的內(nèi)部，流經(jīng)電機(jī)軸和軸承。在這種情況下，電動(dòng)機(jī)可以被認(rèn)為是變壓器，其中在定子框架中流動(dòng)的共模電流作為初級(jí)，并將循環(huán)電流引入轉(zhuǎn)子電路或次級(jí)。這個(gè)軸電流被認(rèn)為是危害最大的，是峰值電流的3～20倍，這取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)速，和交流驅(qū)動(dòng)器的du/dt濾波以及變頻器內(nèi)整流階段的直流電壓級(jí)。

定子線圈和轉(zhuǎn)子之間出現(xiàn)的電容有效地將定子線圈和轉(zhuǎn)子鐵片，通過(guò)軸和軸承內(nèi)圈，構(gòu)成一個(gè)回路。逆變器的共模電流的快速變化產(chǎn)生的電流會(huì)在定子繞組和轉(zhuǎn)子之間的回路進(jìn)入軸承。軸電壓大小隨各馬達(dá)情況的不同而不同，一般說(shuō)來(lái)馬達(dá)容量越大，其氣隙磁通和結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性也越大。而磁場(chǎng)中諧波分量和鐵芯飽和程度以及定子的不平整度也越大，軸電壓峰值就越高，軸電壓的波形具有復(fù)雜的諧波分量，當(dāng)軸電壓達(dá)到一定值后，如不采取適當(dāng)措施，油膜會(huì)被擊穿而產(chǎn)生軸電流。

因此，在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),避免產(chǎn)生磁路不對(duì)稱和避免產(chǎn)生軸向磁通。

1.4 靜電感應(yīng)

電機(jī)周圍有較多的高壓設(shè)備，存在強(qiáng)電場(chǎng)，馬達(dá)轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，相當(dāng)于在切割磁力線，于是在轉(zhuǎn)子兩端也就是軸的兩端產(chǎn)生電壓差，磁場(chǎng)濃度越大馬達(dá)或越大，相對(duì)來(lái)說(shuō)，電壓差就大一些。通常由高壓靜電磁場(chǎng)產(chǎn)生的軸電壓是很小的。

2 預(yù)防軸電流措施研究

2.1 消除變頻器諧波產(chǎn)生的軸電流

IGBT傳動(dòng)單元會(huì)對(duì)電機(jī)端子產(chǎn)生比中間直流回路電壓高很多的尖峰輸出電壓。這個(gè)尖峰電壓會(huì)對(duì)電機(jī)和電機(jī)電纜絕緣帶來(lái)額外的壓力，也會(huì)縮短電機(jī)的壽命。前文已經(jīng)分析過(guò)，逆變時(shí)三相電壓不會(huì)完全對(duì)稱，不對(duì)稱的高尖峰電壓，在定子繞組中會(huì)產(chǎn)生不均勻的磁場(chǎng)。

du/dt濾波器抑制了逆變器輸出電壓尖峰和快速電壓改變，同時(shí)，du/dt濾波器還降低了電機(jī)電纜的容性漏電流、高頻輻射、高頻損耗和電機(jī)的軸承電流。

2.2 消除電纜產(chǎn)生的共模電壓

對(duì)于電氣安裝，意味著一個(gè)合適的電纜類型是減少軸電流的重要角色。導(dǎo)體與導(dǎo)體之間就是一個(gè)電容，如果三相導(dǎo)體不均勻排布，容漏電流不一樣，定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)就不會(huì)均勻。使用勻稱的多芯電纜，電纜中的接地連接（保護(hù)接地，PE）必須勻稱，以避免基頻中的軸電流。通過(guò)所有相電纜周圍的一個(gè)導(dǎo)體，或者電纜中包含均勻分布的三相電纜和三相接地導(dǎo)體，來(lái)完成一個(gè)均勻的PE導(dǎo)體。

因?yàn)楣材ｋ娏骰亓鞯阶冾l器是通過(guò)一條短的，低阻抗的路徑。最好最容易的方法是使用屏蔽電纜。屏蔽層必須是連續(xù)的且導(dǎo)電良好的金屬，即銅或者鋁，制作時(shí)，需將電纜外部的絕緣層剝掉，屏蔽層盡可能做成短的辮子狀360度包住電纜，然后與PE端子連接。

2.3 使用絕緣軸承

軸電流是軸電壓通過(guò)電機(jī)軸、軸承、定子機(jī)座或輔助裝置構(gòu)成閉合回路產(chǎn)生，因正常情況下軸電壓較低，軸承內(nèi)的潤(rùn)滑油膜能起到絕緣作用而扼制軸電流產(chǎn)生；但當(dāng)軸電壓較高，或電機(jī)起動(dòng)瞬間油膜未穩(wěn)定形成時(shí)，軸電壓將使?jié)櫥湍し烹姄舸┬纬赏樊a(chǎn)生軸電流。為了阻斷軸電流通路，電機(jī)至少有一端要用電絕緣軸承,如果只安裝一只絕緣軸承的話，通常安裝在非傳動(dòng)側(cè)。

內(nèi)圈或外圈加涂層絕緣軸承采用特種噴涂工藝，在軸承的外表面噴鍍優(yōu)質(zhì)覆膜，覆膜與基體結(jié)合力強(qiáng)，絕緣性能好，可避免感應(yīng)電流對(duì)軸承的電蝕作用，防止電流對(duì)潤(rùn)滑脂和滾動(dòng)體、滾道造成的損壞，提高軸承的使用壽命。通常是在外圈或內(nèi)圈表面有涂一層100μm厚的涂層，可承受最高1000V直流電壓。

2.4 加裝接地碳刷

馬達(dá)軸兩端有電壓差，通常在傳動(dòng)側(cè)的馬達(dá)端蓋上安裝碳刷架，碳刷壓在轉(zhuǎn)軸上，使傳動(dòng)側(cè)軸上電壓傳導(dǎo)到電機(jī)外殼，在電機(jī)外殼再敷設(shè)一個(gè)接地電線（電纜）到變頻器的接地端子，軸電流繞過(guò)軸承泄掉。

2.5 可靠的接地系統(tǒng)

在馬達(dá)和齒輪箱之間增加銅編制帶連接[3]，以均衡負(fù)載（齒輪箱）與馬達(dá)等電位。最好的效果是使用50～100mm寬的銅網(wǎng)編織帶; 扁平導(dǎo)體比圓形電纜擁有更小阻抗。此外，平衡電機(jī)底座和驅(qū)動(dòng)設(shè)備之間的電勢(shì)是很有必要的，它可以縮短電流流經(jīng)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)設(shè)備軸承的路徑。

3 結(jié)語(yǔ)

馬達(dá)是現(xiàn)代化生產(chǎn)設(shè)備的心臟，是動(dòng)力的源泉，有效降低馬達(dá)故障是保證生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行良好的基礎(chǔ)。軸電流是客觀存在于每一個(gè)電機(jī)，只要我們知道軸電流產(chǎn)生的原因和預(yù)防措施，就能有效降低軸電流對(duì)設(shè)備的影響，從而保證生產(chǎn)的連續(xù)運(yùn)行。