無(wú)刷直流電機(jī)防電蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究及應(yīng)用

吳澤華 高曉峰 李 慶

（珠海凱邦電機(jī)制造有限公司 珠海 519110）

1 軸承電蝕的產(chǎn)生

當(dāng)永磁電機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于電機(jī)磁路不對(duì)稱、靜電感應(yīng)和制造安裝精度不夠等因素的影響，轉(zhuǎn)軸兩端之間或軸承內(nèi)外圈之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電位差，這個(gè)電壓差稱之為：軸電壓。若電機(jī)內(nèi)部構(gòu)成回路，軸電壓就會(huì)導(dǎo)致軸電流產(chǎn)生，故軸電流是軸電壓產(chǎn)生的結(jié)果。而永磁電機(jī)一旦旋轉(zhuǎn)起來(lái)軸電壓就會(huì)存在，但是存在軸電壓不一定存在軸電流，軸電流才是導(dǎo)致電蝕的直接原因。當(dāng)軸電流在軸承的滾道輪和滾珠的接觸部分流動(dòng)時(shí)，通過(guò)潤(rùn)滑油脂會(huì)產(chǎn)生微小火花放電，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，其滾道表面經(jīng)過(guò)放電會(huì)燒出小凹坑或其他情況的損傷，這種現(xiàn)象稱之為：軸承電蝕。

在電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，轉(zhuǎn)軸兩端之間或軸承內(nèi)外圈之間的軸電壓處于一個(gè)很低的水平，軸承本身自帶的潤(rùn)滑油脂仍能保護(hù)電機(jī)的絕緣性能，使電機(jī)內(nèi)部無(wú)法產(chǎn)生軸電流。但是當(dāng)軸電壓逐漸累積到一個(gè)較高的水平，特別是電機(jī)已經(jīng)快速啟動(dòng)起來(lái)時(shí)，潤(rùn)滑油脂尚未形成穩(wěn)定的油膜，軸電壓便可以擊穿油膜，隨之產(chǎn)生放電并在回路里形成軸電流。隨著電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和軸電流持續(xù)地通過(guò)，軸承中的油膜將不斷被放電和腐蝕，油脂最終被碳化，軸承滾道不斷受到損傷，摩擦損耗和發(fā)熱量增加，溫度逐漸升高，甚至還會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油脂受熱融化從軸承內(nèi)溢出，潤(rùn)滑油脂含量逐漸減少，損耗和發(fā)熱量繼續(xù)增加，形成惡性循環(huán)，最終的結(jié)果是軸承被徹底破壞，電機(jī)喪失工作能力（見(jiàn)圖2所示）。

圖1 軸承結(jié)構(gòu)圖

圖2 損壞的軸承

2 軸電壓產(chǎn)生的原因

軸電壓是電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)軸的兩端、轉(zhuǎn)軸局部以及轉(zhuǎn)軸對(duì)地的電位差，引發(fā)的原因主要有以下幾種：

2.1 含有高次諧波逆變電源

當(dāng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的外部電路采用變頻逆變電源時(shí)，如果電源輸出的波形中含有較高次的諧波分量，這些諧波分量就會(huì)在定子繞組的端部、和插針的連接處及轉(zhuǎn)軸之間感應(yīng)出軸電壓，從而產(chǎn)生軸電流。

2.2 外部靜電場(chǎng)影響

如果在電動(dòng)機(jī)工作的環(huán)境中存在一定數(shù)量的高壓設(shè)備，在外部靜電場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)軸的兩端就會(huì)感應(yīng)出軸電壓，形成軸電流。

2.3 外部電源的影響

如果電機(jī)內(nèi)部接線不當(dāng)，其他帶電的線頭直接和電機(jī)的轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生接觸，也會(huì)形成軸電壓。

2.4 電機(jī)制造和裝配過(guò)程出現(xiàn)精度偏差

轉(zhuǎn)子出現(xiàn)動(dòng)偏心或者靜偏心，會(huì)造成氣隙不均勻、定子鐵芯內(nèi)圓面圓度不夠、定子鐵芯疊片精度不夠等原因均可造成軸電壓的產(chǎn)生。

2.5 不對(duì)稱電機(jī)的磁路

由于電機(jī)鐵芯是硅鋼片沖壓后疊裝的，大多設(shè)計(jì)還具有鐵芯槽、通風(fēng)孔等結(jié)構(gòu)，往往會(huì)形成不對(duì)稱的磁路。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)并切割不對(duì)稱磁路時(shí)，產(chǎn)生與軸相交鏈的交變磁通，軸的兩端就會(huì)產(chǎn)生軸電壓。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、定子極靴、定子齒部之間連接部分的電位不平衡會(huì)造成電動(dòng)機(jī)內(nèi)部磁通的不平衡，是軸電壓產(chǎn)生的主要原因。

2.6 其他原因

軸電壓的產(chǎn)生還可能由電機(jī)內(nèi)部靜電荷的積累和相關(guān)元器件絕緣被破壞等原因所造成。

3 防止和削弱產(chǎn)生軸電蝕的設(shè)計(jì)方法及措施

針對(duì)上述軸電壓產(chǎn)生的幾種原因，有以下幾種防止軸電蝕和軸電流產(chǎn)生的方法：

3.1 改進(jìn)直流電機(jī)電源電路

這種方法的原理是降低變頻逆變電源的輸出電壓的變化幅度。具體的操作方式是在逆變電源的輸出端串聯(lián)一個(gè)足夠大的電感器，并在輸出端的接線端之間連接RC電路，這樣輸出電壓的較高次諧波含量將被吸收，防止電位差在定子繞組線圈端部、接線部分及轉(zhuǎn)軸之間產(chǎn)生，控制電位差的發(fā)生，從而控制軸電流。

3.2 提高電機(jī)設(shè)計(jì)和制造水平

在電機(jī)設(shè)計(jì)和制造過(guò)程，就應(yīng)考慮避免磁路不平衡的情況出現(xiàn)，沖片沖壓應(yīng)均勻平整精密。此外端蓋、機(jī)殼、轉(zhuǎn)子的安裝應(yīng)保證高精度，符合一定標(biāo)準(zhǔn)的形位公差要求。避免轉(zhuǎn)子出現(xiàn)明顯的偏心，電機(jī)中各磁極下的氣隙也要達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)的均勻度。

3.3 電機(jī)防電蝕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)

將電機(jī)前后端蓋和定子鐵芯連接在一起，形成有效的導(dǎo)通，可以使前后端蓋和定子鐵芯的電壓得到平衡，最大程度降低軸電壓。一般采用導(dǎo)電性好的鋁質(zhì)托架、銅制的電連接線或?qū)щ娦暂^佳的導(dǎo)電帶，見(jiàn)圖3所示。另外還可以對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行注膠處理，在轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)軸之間注塑一層絕緣材料（如橡膠等絕緣材料），可將轉(zhuǎn)子不平衡的電位傳遞到轉(zhuǎn)軸上，軸電壓將被大大削弱。

3.4 絕緣軸承室結(jié)構(gòu)

軸承室的內(nèi)徑與軸承外徑的配合，可在其內(nèi)徑表面進(jìn)行噴涂或襯上一層絕緣材料（如橡膠套等），將軸承外圈和端蓋進(jìn)行徹底的隔離，斷絕了軸電流的產(chǎn)生，根據(jù)與軸承配合要求進(jìn)行裝配，一般軸承的裝入采用熱套的方法，裝配圖如圖4所示。

3.5 采用有絕緣層的轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)

這種方法的具體操作是轉(zhuǎn)軸精加工后，在轉(zhuǎn)軸的軸承檔等部位電鍍絕緣材料，制作成有防止軸電流產(chǎn)生功能的轉(zhuǎn)軸，如圖5所示。這種方法的目的是破壞軸電流形成的條件，防止軸電流形成一個(gè)閉合回路。

3.6 碳刷防護(hù)結(jié)構(gòu)

通過(guò)在電機(jī)內(nèi)部安裝碳刷將端蓋和轉(zhuǎn)軸連接，形成同一電位，將較高的感應(yīng)電勢(shì)釋放出去，從而消除軸承內(nèi)外圈的電位差，杜絕軸電流的產(chǎn)生

但此方法存在電刷有接觸損耗，且電刷的阻值較大，從而降低平衡電位差的效果。

3.7 采用絕緣處理過(guò)的電機(jī)端蓋

將電機(jī)內(nèi)部的滾動(dòng)軸承與其端蓋絕緣，切斷回路，杜絕軸電流的產(chǎn)生。例如：在軸承外圈表面和端蓋間采用絕緣材料進(jìn)行絕緣處理（如環(huán)氧樹(shù)脂等），使其無(wú)法形成通電回路。

3.8 采用具有良好導(dǎo)電性能油脂的軸承

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，均勻的潤(rùn)滑油脂可將軸承的內(nèi)外圈接通，在還沒(méi)有形成足夠高的軸電壓差時(shí)，已經(jīng)將內(nèi)外圈短路，使其無(wú)法形成軸電流。

綜上所述，目前為了防止軸承電蝕，主要采取以下原理設(shè)計(jì)：

1）使軸承內(nèi)圈與軸承外圈變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)；

2）使軸承內(nèi)圈與軸承外圈、電機(jī)轉(zhuǎn)軸和端蓋變?yōu)閺氐捉^緣狀態(tài)；

3）從源頭上杜絕軸電壓產(chǎn)生或者大幅度削弱軸電壓，從而防止或者削弱軸電流的形成；

4）采取措施盡可能降低軸電壓，使其微弱的電位差無(wú)法形成軸電流；

針對(duì)上述1）的對(duì)策，通常采用具有良好導(dǎo)電性的軸承潤(rùn)滑油脂。但此種結(jié)構(gòu)方式其導(dǎo)電性潤(rùn)滑油存在著長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后其導(dǎo)電性逐漸劣化和惡化、滾動(dòng)性變差等問(wèn)題。

針對(duì)上述2）的對(duì)策，具體方法為將軸承內(nèi)部的小鋼珠、鋼柱變更為非導(dǎo)電性的陶瓷球、采用帶絕緣結(jié)構(gòu)的軸承室結(jié)構(gòu)和對(duì)端蓋進(jìn)行改造處理。該結(jié)構(gòu)方法能有效的抑制軸承的電蝕，但是陶瓷球軸承的制作工藝和材料成本較高，無(wú)法在電機(jī)中通用。

圖3 電機(jī)防電蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 絕緣軸承套

圖5 軸絕緣結(jié)構(gòu)示意圖

針對(duì)上述3）的對(duì)策，現(xiàn)有技術(shù)常采用的是通過(guò)具有導(dǎo)電性的金屬制的托架實(shí)現(xiàn)定子鐵芯與端蓋短路，實(shí)現(xiàn)靜電電容變化從而降低軸電壓，消除軸電流。此外，在抑制電機(jī)的軸承電蝕的現(xiàn)有技術(shù)中，較多地公開(kāi)將電機(jī)的定子鐵芯等與接地的地線電連接的結(jié)構(gòu)。

針對(duì)上述4）的對(duì)策，一般采用優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)，避免磁路的不平衡，對(duì)外部的逆變電路進(jìn)行改善。

4 總結(jié)

本論文所述的設(shè)計(jì)方法可有效消除軸電流和防止軸承電蝕的現(xiàn)象發(fā)生，降低軸承的損壞率，提高軸承的使用壽命，從而提升所使用的直流電機(jī)的壽命和質(zhì)量。且在工藝上實(shí)施起來(lái)也較容易實(shí)現(xiàn)，可取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和達(dá)到產(chǎn)品制造的可行性。