船舶推進(jìn)電機(jī)軸電流研究

龍 潤(rùn)，柯常國(guó)

船舶推進(jìn)電機(jī)軸電流研究

龍 潤(rùn)1，柯常國(guó)2

（1. 海軍駐湘潭地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭 411100；2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文首先分析了船舶推進(jìn)電機(jī)軸電流產(chǎn)生機(jī)理和危害，研究了消除軸電流危害的各種措施。針對(duì)軸承絕緣，對(duì)絕緣軸承和絕緣結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行對(duì)比分析研究。最后，提出了通過(guò)絕緣端蓋對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行絕緣的方案。

推進(jìn)電機(jī) 軸電流 絕緣

0 引言

近年來(lái)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)需求日趨增多，交流變頻調(diào)速應(yīng)用日趨廣泛。采用變頻調(diào)速不但能實(shí)現(xiàn)電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，而且可以在不同應(yīng)用場(chǎng)景和不同負(fù)載條件下使電動(dòng)機(jī)始終運(yùn)行在高效區(qū)，并確保優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性。隨著推進(jìn)電機(jī)容量的不斷增大，軸電流導(dǎo)致電機(jī)損傷事故屢有發(fā)生，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該重視由軸電流引起的危害。

1 軸電流產(chǎn)生機(jī)理和危害

船舶交流電力推進(jìn)系統(tǒng)一般包括推進(jìn)變壓器、推進(jìn)變頻器和推進(jìn)電機(jī)，變頻器一般采用電壓型兩電平交-直-交拓?fù)浞桨福冾l器采用模塊化設(shè)計(jì)，包括整流單元、制動(dòng)單元、逆變單元等組成，力求達(dá)到較大的功率密度和高可靠性，主回路示意圖如圖1。

變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)軸與軸承之間產(chǎn)生的電壓叫做軸電壓，若軸承絕緣不佳，則會(huì)通過(guò)軸承、軸承座或機(jī)座等構(gòu)成回路，軸電流就產(chǎn)生了。軸電壓是隨著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)行就存在的，一般普通工頻電機(jī)軸電壓產(chǎn)生主要是由電容電流、單極效應(yīng)或磁路不對(duì)稱等因素造成，最終還是由磁通脈動(dòng)造成的，在正弦波供電的情況下，軸電壓較小，危害不大[1]。

但是對(duì)于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的變頻電機(jī)大都采用變頻供電，這時(shí)電機(jī)的軸電壓主要是由于電源三相輸出電壓不平衡的零序分量產(chǎn)生。變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中諧波高頻成份多，高次諧波分量在定子繞組、電纜和轉(zhuǎn)軸中產(chǎn)生電磁感應(yīng)，電機(jī)內(nèi)分布電容的耦合作用形成共模回路，產(chǎn)生共模電壓高頻振蕩，并與轉(zhuǎn)子容性耦合，形成轉(zhuǎn)軸對(duì)地電壓，借助電機(jī)軸、軸承和機(jī)座等構(gòu)成回路將產(chǎn)生軸電流[2]。

軸電壓不高的時(shí)候，電機(jī)軸承潤(rùn)滑后形成的一層油膜可以起到絕緣作用，軸電流沒(méi)有通路。但是當(dāng)軸電壓較高且潤(rùn)滑不充分時(shí)，軸電壓過(guò)高將使?jié)櫥湍舸┓烹姰a(chǎn)生軸電流，并導(dǎo)致發(fā)熱產(chǎn)生高溫?zé)?，?duì)軸承內(nèi)圈、外圈或滾珠產(chǎn)生損傷，形成一些微小區(qū)域的凹槽損傷，對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)來(lái)說(shuō)，將引起異常噪聲振動(dòng)，不及時(shí)采取措施將在電機(jī)軸承內(nèi)外圈、滾珠上產(chǎn)生大面積損傷，導(dǎo)致軸承損壞，大大降低電機(jī)使用壽命。

圖1 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主回路圖

2 減少或消除軸電流危害的措施

2.1 軸電壓軸電流限值規(guī)范

電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生軸電壓，變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)所允許的軸電壓或軸電流的大小取決于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境、安裝質(zhì)量、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、軸承狀況、油膜厚度和回路阻抗等許多因素。國(guó)標(biāo)《GB/T35714-2017船舶推進(jìn)電動(dòng)機(jī)》規(guī)定：“推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的軸電壓峰峰值不應(yīng)該超過(guò)1 V。需要設(shè)置絕緣軸承防護(hù)軸電壓和軸承電流?！蔽鏖T(mén)子電機(jī)出廠空載軸電壓要限制在350 mV以下，如果超過(guò)該值，軸承必須絕緣[3,4]。

實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于滾動(dòng)軸承電機(jī)，軸電壓大于0.5 V將產(chǎn)生有害軸電流，軸電壓大于1 V時(shí)，電機(jī)軸承可能在運(yùn)行后1年內(nèi)就出現(xiàn)明顯損傷；對(duì)于滑動(dòng)軸承電機(jī)，潤(rùn)滑油膜絕緣效果稍好，軸電壓大于1 V時(shí)會(huì)造成電機(jī)軸承明顯損傷。某1500 kW、1000 r/min變頻電機(jī)按國(guó)標(biāo)GB1029所規(guī)定的試驗(yàn)方法測(cè)量的空載軸電壓和負(fù)載軸電壓分別為0.65 V和2.6 V，油膜電壓分別為0.15 V和0.51 V，可以看出，變頻電機(jī)軸電壓還是比較大的，且負(fù)載時(shí)軸電壓比空載時(shí)大，實(shí)際應(yīng)用中必須采取措施，以減小或消除軸電流損傷[5]。

2.2 減小或消除變頻電機(jī)軸電流損傷的措施

軸電壓對(duì)軸承等造成損害通常需要兩個(gè)條件：一是軸電壓較高；二是是軸承絕緣狀態(tài)不佳，給軸電流提供了流通回路。軸電壓無(wú)法避免，避免軸電流損害的重點(diǎn)應(yīng)該是軸電流治理。對(duì)于采用滾動(dòng)軸承的電機(jī)，軸承的潤(rùn)滑脂膜比較薄，并且在剛啟動(dòng)時(shí)潤(rùn)滑不充分，對(duì)軸電壓的作用比較敏感，作為船舶推進(jìn)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，必須采取措施預(yù)防軸電流。應(yīng)合理選用電抗器、d/d濾波器，并考慮屏蔽接地設(shè)計(jì)。同時(shí)，充分考慮變頻驅(qū)動(dòng)電纜駐波效應(yīng)，盡量縮短變頻器和電機(jī)之間的電纜長(zhǎng)度。

電力推進(jìn)系統(tǒng)（包括推進(jìn)變壓器、變頻器、推進(jìn)電機(jī)等）組成設(shè)備需進(jìn)行接地處理，如圖2所示。接地點(diǎn)必須采用標(biāo)準(zhǔn)的重載PE電纜，不強(qiáng)求具備高頻特性。但是，變頻器及電機(jī)等必須采用具備高頻特性的屏蔽電纜進(jìn)行連接。變頻器與電機(jī)之間電纜通常采用屏蔽對(duì)稱三線三相電纜，同時(shí)PE線也需要對(duì)稱布置，如圖3。同時(shí)，有效的屏蔽接法是采用EMC填料函、MCT或EMC屏蔽壓片使電機(jī)PE端和電機(jī)接線盒屏蔽母排采用360°可靠接觸，如圖4。

圖2 接地處理

預(yù)防軸電流損害最有效的措施就是對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軸承進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)。當(dāng)軸電壓高到一定程度時(shí)，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮軸承絕緣，電機(jī)輔助裝置也要進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)。軸承絕緣通常是采取非驅(qū)動(dòng)端軸承絕緣，絕緣設(shè)計(jì)方案可采用絕緣結(jié)構(gòu)，如軸絕緣、軸承室絕緣、端蓋絕緣以及軸承座絕緣等，也可以直接采用絕緣軸承。絕緣軸承方案可徹底防止軸電流電蝕軸承，且安裝維護(hù)方便。采用絕緣軸承在設(shè)計(jì)和安裝時(shí)與普通軸承相同，但成本高，周期長(zhǎng)，主要依賴進(jìn)口，且軸承規(guī)格少。采用絕緣結(jié)構(gòu)可選用普通軸承，成本低，生產(chǎn)周期短。但是絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工復(fù)雜，結(jié)構(gòu)處理不當(dāng)，會(huì)造成軸電流電蝕軸承。目前，各軸承制造廠絕緣軸承只是個(gè)別定制產(chǎn)品，采購(gòu)成本高，采購(gòu)周期長(zhǎng)。目前變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)普遍采取軸承室絕緣結(jié)合端蓋絕緣，利用端蓋與軸承室結(jié)合處或與機(jī)座結(jié)合處絕緣，使得軸承絕緣。

圖3 理想對(duì)稱三線主線芯+對(duì)稱三線PE線芯

圖4 采用EMC壓片360°可靠接觸

圖5 驅(qū)動(dòng)端軸承絕緣及絕緣端蓋結(jié)構(gòu)

通過(guò)多種軸承絕緣方案的對(duì)比，并考慮電機(jī)的通用性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、工藝性等要求，對(duì)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的端蓋進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)，我們成功地研制出變頻驅(qū)動(dòng)推進(jìn)電機(jī)絕緣端蓋，解決了滾動(dòng)軸承變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的軸承絕緣問(wèn)題。絕緣端蓋通過(guò)絕緣結(jié)構(gòu)把軸承與機(jī)座隔離絕緣，成功阻斷軸電流的流通回路。絕緣端蓋具有絕緣可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工制造容易等特點(diǎn)，可適合不同的滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)。

該型絕緣端蓋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，絕緣可靠，加工制造容易，能夠適合感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)，如圖5所示。生產(chǎn)完成的絕緣端蓋采用1000 V的絕緣表進(jìn)行絕緣試驗(yàn)，絕緣電阻大于50 MΩ。

而對(duì)于采用滑動(dòng)軸承的電機(jī)，通常采用對(duì)滑動(dòng)軸承的軸承座進(jìn)行內(nèi)部絕緣的設(shè)計(jì)方案，并在普通滑動(dòng)軸承的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出帶絕緣結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)軸承，成功解決變頻電機(jī)滑動(dòng)軸承的絕緣問(wèn)題。

另外，還有一種措施就是通過(guò)在轉(zhuǎn)軸軸伸端安裝接地電刷，確保轉(zhuǎn)軸可靠接地，可以保護(hù)軸承免受軸電流損害，如圖6。

圖6 接地電刷

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，目前船舶推進(jìn)電機(jī)在應(yīng)對(duì)軸電流問(wèn)題上的措施主要是在接線、屏蔽、接地、濾波器的基礎(chǔ)上，考慮絕緣軸承或絕緣結(jié)構(gòu)，從目前多個(gè)型號(hào)多批次電機(jī)應(yīng)用情況來(lái)看，電機(jī)和軸承未出現(xiàn)軸電流損傷情況，基本解決了軸電流問(wèn)題。

[1] 艾波. 永磁同步電機(jī)軸電壓和軸電流研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué)，2014.

[2] 柯常國(guó)等.電力推進(jìn)系統(tǒng)控制策略仿真[J]. 船電技術(shù), 2016, 36（4）: 15-18.

[3] 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所等. 船舶推進(jìn)電動(dòng)機(jī): GB/T 35714-2017[S]. 2017.

[4] 西門(mén)子（中國(guó)）有限公司. SINAMICS S120變頻控制系統(tǒng)應(yīng)用指南[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[5] 哈爾濱大電機(jī)研究所等. 三相同步電機(jī)試驗(yàn)方法: GB/T 1029-2005[S]. 2005.

Research of the Shaft Currents of the Propulsion Motor of a Ship

Long Run1, Ke Changguo2

（1. Naval Representative's Office in Xiangtan, Xiangtan 411100, Hunan, China; 2.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM343 TP391.9

A

1003-4862（2019）10-0015-03

2019-03-16

龍潤(rùn)（1987-），男，工程師。研究方向：電氣工程。E-mail: 13873202860@139.com