變頻電機(jī)軸電蝕產(chǎn)生機(jī)理及預(yù)防

吳彬彬

（廣東美的制冷設(shè)備有限公司 佛山 528311）

引言

為了進(jìn)一步提高驅(qū)動電機(jī)的效率，變頻控制是近年來廣泛使用的手段之一，即在提高變頻器控制頻率（也稱載波頻率）可以使得電機(jī)更高效運(yùn)行。近年來，隨著國內(nèi)變頻化進(jìn)程的進(jìn)一步加快，IGBT等高性能器件的大規(guī)模使用，對直流電機(jī)產(chǎn)品的需求日益增長。與此同時，隨著載波頻率的提高，流經(jīng)軸承的高頻電流會對軸承溝道和滾珠帶來損傷，這種損傷稱為軸電蝕（高頻電蝕）。這種現(xiàn)象在家用電器和工業(yè)發(fā)電機(jī)等變頻控制電驅(qū)動電機(jī)中越來越普遍。鑒于變頻電機(jī)軸電蝕帶來的噪音、軸承損傷及減少電機(jī)使用壽命等不良影響，變頻電機(jī)的軸電蝕問題也日益凸顯出來，受到各個行業(yè)的廣泛關(guān)注。

1 電機(jī)軸承聲分類

大量統(tǒng)計和實(shí)踐表明，軸承往往是變頻電機(jī)中失效率最高的部件，由于軸承失效導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)異音，影響了產(chǎn)品的使用壽命。軸承的失效原因：首先是軸承加工制造問題，其次是制程組裝和運(yùn)輸，最后就是由于軸電蝕問題。不同失效原因（軸承壓傷、微動磨損、軸承電蝕）在軸承內(nèi)外溝道及滾珠上失效形式不盡相同，如表1所示。

表1 軸承失效表現(xiàn)形式對比

2 軸電蝕產(chǎn)生機(jī)理

當(dāng)電機(jī)接入三相對稱正弦電壓時，定子繞組完全對稱，所以三相電壓矢量和為零。變頻電機(jī)采用PWM變頻電源供電，通過控制芯片發(fā)出PWM脈沖[1]，這些脈沖幅值相等，脈沖寬度按一定規(guī)則調(diào)制，用這些脈沖等效代替正弦波或所需要的波形。這樣電源三相輸出電壓矢量和不為零，產(chǎn)生共模電壓[2]。在電機(jī)內(nèi)部寄生電容耦合作用，在轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出電壓，如圖1所示。電機(jī)中一般存在以下幾類耦合電容，Cwe為繞組和端蓋之間電容，Csw為繞組和定子鐵芯之間的電容，Csm為定子鐵芯和永磁體之間的電容，Cmw為繞組和永磁體之間的電容，Cmr為永磁體和轉(zhuǎn)子鐵芯之間電容，Cb為軸承滾珠和溝道間電容。共模電壓在電機(jī)內(nèi)部寄生電容作用下，感應(yīng)出軸電壓Ub，Ub為軸承外圈對地電壓。

圖1 電機(jī)內(nèi)部簡易共模等效電路圖

在大多數(shù)工況下（10～100 Hz），寄生電容的存在影響不大。而逆變器的載波頻率為幾kHz到幾十kHz。逆變器開關(guān)管的快速通斷導(dǎo)致共模電壓的快速變化，電壓的快速變化產(chǎn)生了高頻電流，高頻電流流過寄生電容，產(chǎn)生軸電流[3]。軸電流一般有金屬接觸流通電流、容性軸電流、油膜擊穿放電電流。一般來說，金屬接觸流通電流和容性軸電流幅值較小，對引起軸電蝕的可能性較低。而當(dāng)軸電壓超過潤滑油膜擊穿電壓閾值時，瞬間擊穿絕緣油膜，形成通路，產(chǎn)生高頻電流出現(xiàn)放電。局部微小區(qū)域的放電能量在滾珠和溝道上產(chǎn)生高溫，使得滾珠和溝道表面局部融化產(chǎn)生凹坑，長期放電則會在溝道表面產(chǎn)生“搓衣板”狀波紋，進(jìn)而導(dǎo)致滾珠運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生噪音和振動。

3 軸電蝕預(yù)防

對變頻電機(jī)來說，由于三相電壓矢量和不為零，導(dǎo)致共模電壓時刻不為零，即軸電壓時刻存在。一般來說完全消除掉軸承內(nèi)部的電勢差是非常困難的，但是能夠阻止或大大降低通過軸承的電流，同樣可以防止軸承發(fā)生電腐蝕。針對軸電蝕問題提出以下預(yù)防措施：

3.1 電流回路隔斷法

軸電流是軸電壓通過電機(jī)軸、軸承、定子機(jī)座或輔助裝置構(gòu)成閉合回路產(chǎn)生，可以在軸承內(nèi)圈和外圈上采用特種噴涂工藝加涂絕緣層。如等離子均勻噴涂50～100 μm厚的高性能耐熱陶瓷絕緣層。這樣可以破壞軸電流形成回路，阻斷軸電流通路。另外還可以在軸承外圈和軸承室之間增加絕緣隔層，阻斷電流流通。

3.2 降軸電壓法

采用雙導(dǎo)通結(jié)構(gòu)，將電機(jī)前后端蓋和定子鐵芯連接在一起，形成等電位，這樣可以平衡前后端蓋和和定子鐵芯之間電勢差，最大程度上降低軸電壓。導(dǎo)電體一般采用鋁導(dǎo)電片和粗細(xì)適宜的銅導(dǎo)線。另外可以提升轉(zhuǎn)子本身電壓，從而對共模電壓形成分壓，達(dá)到降低軸電壓作用。一般將轉(zhuǎn)子矽鋼片從中間隔斷，并注塑絕緣材料。最后還可以采用導(dǎo)電油脂（如混有碳粉的鋰皂脂），在電機(jī)運(yùn)行時接通內(nèi)外圈和滾珠，降低溝道和滾珠之間的電勢 從而達(dá)到降低軸電壓效果。不過由于碳粉的耗損，此方法難以維持長期穩(wěn)定的改善效果，并不是完美的預(yù)防措施。

3.3 升高耐壓法

這種方法是將當(dāng)前的鋼珠滾珠改換為陶瓷滾珠，陶瓷滾珠具有很好的絕緣效果。滾珠與溝道之間油膜厚度非常薄，往往還不均勻穩(wěn)定，一般為微米級別。采用鋼珠滾珠時，絕緣距離僅僅為油膜厚度，其絕緣擊穿電壓較低，可能只有十幾伏甚至幾伏。但使用陶瓷滾珠時絕緣距離為滾珠直徑加上油膜距離，絕緣距離大大提升，絕緣擊穿電壓能達(dá)到幾kV甚至以上，對軸電壓有充分的安全余量，因此不會發(fā)生絕緣擊穿造成軸電蝕現(xiàn)象。

3.4 等電勢法

在轉(zhuǎn)軸和支撐端蓋中間增加碳刷導(dǎo)電相連，使軸承內(nèi)外圈之間形成，使軸承內(nèi)外圈形成等電勢，從而降低了溝道和滾珠之間電勢差。不過由于碳刷使用過程中存在接觸耗損，同時碳刷和轉(zhuǎn)軸處存在接觸電阻，可能會降低平衡電位差的效果。

4 結(jié)語

本文簡要介紹了軸電蝕產(chǎn)生機(jī)理，并且從降低軸電壓、提高軸承耐壓、隔斷電流回路等角度提出軸電蝕的有效預(yù)防方法。但是由于軸電蝕研究起步較晚，變頻電機(jī)的軸電蝕還處于探索階段。同時由于電機(jī)的種類繁多，軸承的配置方式多樣，在實(shí)際使用中，要根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和使用場景加以選擇，甚至在惡劣情況下可以同時采取多種防治軸電蝕設(shè)計方法，才能夠有效防治軸電蝕發(fā)生，延長電機(jī)的使用壽命，提高產(chǎn)品品質(zhì)和競爭力。