軌道車輛交流電機軸電壓和軸承電流的產(chǎn)生機理與預防

李勇

（西門子交通技術（北京）有限公司上海分公司，上海200082）

1 概述

交流電機設計久經(jīng)考驗、長期可靠運行所需維護小、而且其結構簡單，廣泛應用于城市軌道車輛牽引系統(tǒng)中。隨著電力電子技術的發(fā)展，大功率半導體器件的逆變器因具有穩(wěn)定、開關損耗低等優(yōu)點，作為交流電機供電電源，在軌道車輛中廣泛使用。近年多有用戶反映PWM 逆變器供電的牽引電機上，電機軸承發(fā)生電腐蝕失效，最終導致牽引電機抱死、車輪擦傷等影響車輛運營案例。初步調查發(fā)現(xiàn)逆變器供電電機軸承上過大的軸電壓、軸承電流與軸承電腐蝕失效有很大關聯(lián)，本文闡述了電機軸承電腐蝕失效的有關機理，并直接給出相應的防范建議。

2 軸電壓和軸承電流產(chǎn)生機制

交流電機產(chǎn)生軸電壓和軸承電流的兩個主要原因：

制造過程（包括公差、材料等）導致的不對稱磁場（電機本身因素）；

供電電壓影響（外部因素）。

2.1 磁場不對稱導致的軸電壓和軸承電流

交流異步電機在正弦交變的電壓下運行時，其轉子處在正弦交變的磁場中。由于電機制造公差，磁性材料各向異性、定轉子扇形沖片、硅鋼片疊裝、通風孔等工藝因素的存在，在磁路中造成不平衡的磁阻。當電機的定子鐵芯圓周方向上的磁阻發(fā)生不平衡時，便產(chǎn)生與軸相交鏈的交變磁通，從而產(chǎn)生交變電勢。當電動機轉動即磁極旋轉，通過各磁極的磁通發(fā)生了變化，在軸的兩端感應出軸電壓。這種電壓是延軸向而產(chǎn)生的，如果與軸兩側的軸承形成閉合回路，就產(chǎn)生了軸電流。

2.2 供電電壓導致的軸電壓和軸承電流

交流電機由GTO 或者IGBT 逆變器供電，其逆變器輸出的附加共模電壓具有開關功率器件一樣的頻率，其快速變化的電壓會導致在電機內(nèi)形成雜散電容，進而導致軸電壓和軸承電流等附加效應。

由于軌道車輛用逆變器輸出電壓變化率高達5KV/μs，開關頻率高至400Hz 到1.5kHz ，因此在對牽引系統(tǒng)分析時，對電機模型化，不僅要考慮其具有歐姆特性，還必須要考慮電機的雜散電容。三相交流電機主要的雜散電容分布如圖1 所示。

圖1 牽引逆變器供電下感應電機雜散電容分布

Csf——定子繞組與電機外殼之間的電容；

Csr——定子繞組與轉子軸之間的電容；

Crf——轉子軸到電機外殼之間的電容；

Cbi——絕緣軸承電容；

Cb——潤滑油膜電容。

牽引逆變器供電情況下，由于雜散電容的耦合作用和牽引回流電路設計，導致電機軸電壓和軸承電流有不同的產(chǎn)生機理。

2.2.1 電容性放電軸承電流

電容性放電軸承電流通常包括軸承電容性放電電流和放電加工（EDM）電流。共模電壓變化率及其幅值分別對軸承電容性放電電流和放電加工電流產(chǎn)生影響。功率器件開關動作會產(chǎn)生一個交變的共模電壓。加于軸承絕緣層電容Cbi（如果有）或者潤滑油膜電容Cb 上，共模電壓變化率du/dt 會導致軸承電容性放電電流Ic，其值：

此外，交變的共模電壓產(chǎn)生的共模電流通過電容Csr 流向轉子，最后通過軸承回到接地的定子外殼上，此軸承電流稱之為放電加工電流，等效電路圖如圖2 所示。

2.2.2 循環(huán)的軸承電流

電機中的最大雜散電容是定子繞組和外殼之間的電容Csf。共模電壓的每次變化，有電流流過電容Csf，在由轉軸、兩個軸承、軸承防塵圈和外殼組成的封閉路徑中產(chǎn)生感應電壓，并形成一個循環(huán)的軸承電流，如圖3 所示的等效電路圖。

圖2 放電加工電流等效電路圖

圖3 循環(huán)軸承電流等效電路圖

圖4 軸承接地電流等效電路圖

2.2.3 軸承接地電流

電機雜散電容Csf 上的共模電流通過可能的接地回路回流。而通過軸承接地回流的共模電流，稱為軸承接地電流。圖4 為一個軸承接地電流等效電路。其中電感Lfe 代表定子外殼接地回路的電感（阻抗）。由于感抗的存在，接地回流電流I1 和I2 會導致電機外殼對地產(chǎn)生感應電壓，感應電壓導致電流I3 通過軸承和軸回地，此電流對軸承有害，并可能會導致電磁兼容問題。

2.2.4 牽引回流軸承電流

牽引系統(tǒng)回流電流不僅通過車輛接地電刷流回軌道，部分牽引回流電流可能通過電機的軸承流向導軌，這取決于車輛接地原理設計。因此，在車輛電氣設計時，需要認真考慮接地電阻的選取，以防止過大牽引回流電流通過軸承，造成軸承損傷。

3 軸電壓和軸承電流對軸承的影響（電腐蝕失效）

軸承運行時通常在其工作表面帶有一薄層潤滑脂，其擊穿電壓取決于油脂類型、溫度、粘度和潤滑油膜厚度等因素。測量表明當電壓達到30-50Vpeak時候，潤滑脂膜可能被擊穿，電流流過軸承。對于電容性電源，其阻抗相對高，軸承表面的腐蝕是逐漸出現(xiàn)并惡化的。軸電壓從側面反映出可能的軸承電流大小，當電流通過接觸表面，電流聚集在接觸點上，導致其局部電流密度高，產(chǎn)生電弧。電弧導致其接觸面有局部金屬熔融，產(chǎn)生電腐蝕，最終在軸承滾道上形成點蝕和波浪紋排列的電蝕溝痕，如圖5 所示。軸承滾道表面變粗糙，會加速其機械磨損，同時電弧導致軸承潤滑脂失去其純度，加速其老化和過早失效，最終導致軸承疲勞失效。

4 軸電壓和軸承電流的預防措施

4.1 嚴格的機械組裝流程與合理的電氣和機械安裝

電機廠家在制造過程中，嚴格安裝制造工藝和要求，選擇材料，控制制造誤差，限制電機因不對稱等結構問題導致的典型的軸電壓和軸承電流。合理的電機電氣安裝方案可以避免或者減少軸電壓和軸承電流。原則上就是在主接地回路上確保盡可能低的阻抗，來避免雜散電流通過軸承回流到地。例如對于三相交流電機，使用屏蔽電纜作為動力電纜，選擇合適的電纜密封套，使之屏蔽電纜接地可靠，保證功能性接地回路低阻抗；同時保護性接地回路選擇屏蔽電纜或者編織帶，保證接地回路盡可能低的阻抗。在設計軌道車輛接地概念時，需要考慮電機軸承因素，進行合理的接地概念設計，有效的減少高頻諧波電流流過軸承，從而防止軸承發(fā)生電腐蝕。此外，在電機外殼和聯(lián)軸節(jié)與齒輪箱之間等電勢連接（通過連接導線或者電機外殼與驅動機械外殼直接螺栓相連），形成電機外殼與驅動機械直接可靠的機械電氣連接，也可減少軸承接地電流，此措施經(jīng)濟并且切實可行。

4.2 對逆變器輸出電壓和共模電壓進行濾波處理

通過添加用來衰減高頻共模電壓的濾波器，控制逆變器的輸出電壓變化率，修正其波形，從源頭上減少共模電壓激勵源，從而極大地抑制軸電壓和軸承電流。此類濾波器成本較昂貴，需要額外在逆變器輸出電路中安裝此設備，且會導致逆變器輸出有壓降和輸出電壓受限。

4.3 改善逆變器開關頻率

城軌車輛用逆變器開關頻率在400Hz - 1.5 kHz。如果逆變器允許修正開關頻率，在不影響使用情況下，可以通過減少開關頻率，減少共模電壓。

4.4 安裝轉子軸接地碳刷

通過安裝轉子軸接地碳刷，使轉子和定子之間電勢差相等，避免軸電壓和軸承電流的產(chǎn)生。轉子軸接地碳刷可以考慮安裝在電機的驅動端，也可以安裝在非驅動端。試驗表明，在車輛加減速階段，配備絕緣軸承的牽引電機上測量轉子軸電壓峰-峰值，沒有安裝轉子軸接地碳刷的瞬時軸電壓高達206V，而安裝了轉子軸接地碳刷的瞬時軸電壓控制在10V 以內(nèi)。由于接地導流效果良好，越來越多的應用于城軌車輛電機上。

4.5 使用混合陶瓷軸承或者陶瓷軸承

在城軌車輛交流傳動系統(tǒng)中，通常用兩個普通的絕緣軸承來隔絕軸承電流。但是這不會消除高頻電流問題。為了保證良好的絕緣效果，混合陶瓷軸承或者陶瓷軸承越來越被電機制造商作為一個標準配置提供。

4.6 轉子進行靜電屏蔽

在電機定子和轉子之間的氣隙中安裝法拉第屏蔽板，減少定子和轉子之間的高頻雜散電流耦合。此方案不能防止循環(huán)軸承電流和軸承接地電流，而且費用高昂，制作復雜。牽引電機通常不會使用方案。

5 對有軸承電腐蝕現(xiàn)象牽引電機的建議

根據(jù)國內(nèi)地鐵公司反饋，不同廠家設計的牽引電機，都不同程度的發(fā)生過軸承電腐蝕現(xiàn)象。通過深入分析失效軸承特征及其整個車輛系統(tǒng)，提出調整整車接地系統(tǒng)對應元器件選型參數(shù)，達到減少或者防止可能的牽引回流通過電機軸承；對逆變器輸出電壓增加高頻濾波器或者改變已有濾波器對應參數(shù)，抑制共模電壓產(chǎn)生；在電機驅動端或者非驅動端側，加裝轉子軸接地碳刷，防止可能的軸承電流產(chǎn)生。使用對壓接工藝要求簡單、接地可靠的電纜密封套，對可能導致功能性接地不良的電纜密封套進行更換。對于電腐蝕仍然發(fā)生的電機軸承，建議在大修期間，更換為絕緣性能更優(yōu)的混合陶瓷軸承，同時在電機外殼和聯(lián)軸節(jié)與齒輪箱之間等電勢連接。實踐證明，部分或者全部執(zhí)行上述措施，可以有效的防止軸電壓和軸承電流產(chǎn)生。

6 結論

本文針對近年來牽引電機軸承偶爾發(fā)生電腐蝕失效現(xiàn)象，通過對牽引電機軸承電腐蝕產(chǎn)生機理的研究，結合現(xiàn)場調查和試驗分析，得出預防牽引電機軸承電腐蝕失效具體措施，并在具體項目中執(zhí)行，取得預期效果，延長了電機維修周期，保障車輛運營安全。