電機軸電流預防措施的研究分析

殷?　朱晨迪　余旭東

摘要：闡述了永磁同步電機軸電壓（流）的產?機理，總結了電機產?軸電流導致軸承燒損及軸電流對電機的危害。此外，介紹了兩?類針對電機軸電流預防措施的研究進展，并從成本、導電性、可靠性、耐磨損度、應?案例以及供應商等??，對各種?案進?了詳細的對?，同時也為整?企業(yè)解決電機軸電流問題提供了可供借鑒的?法和?段。

軸電流問題提供了可供借鑒的?法和?段。

關鍵詞：電機;軸電流;措施;研究分析

中圖分類號：TM32 收稿?期：2022-03-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.06.016

1 研究背景

現今汽?的電驅系統(tǒng)需要越來越?的電壓脈沖，?些?型甚?已經搭載可以承受800 V?壓的碳化硅電驅系統(tǒng)[1]。在整?運?過程中，這些?整流頻率的?壓脈沖將導致?電流脈沖通過軸承，反復的?電流流經電機軸承會逐漸燒蝕軸承座圈，因此研究軸電壓和軸電流以及其預防措施有著重要意義[2]。

電機在正弦波電源驅動下運?時，通過電機軸的交變磁鏈產?軸電壓。這些磁鏈是由轉?和定?分離鐵??之間的接觸部分、磁性材料的定向屬性和供電電源不平衡等因素引起磁通不平衡而產?的[3]。例如：磁路不對稱、電容電流、靜電效應、靜態(tài)勵磁系統(tǒng)、外殼和軸等的永久磁化，均有可能引起軸電壓[4]。在軸電壓的波形中，存在許多復雜的諧波脈沖分量，這些諧波分量會傷害到軸上的絕緣油膜[5]。若軸電壓超過軸承油層擊穿電壓，則在軸承上會形成很?的軸電流。該電流會燒蝕軸承部件，造成很?危害[6]。

最本質避免軸電流的?法是提供合適的接地路徑，且讓離散電流回到變頻器，從而使得電流避開軸承[7]。本?也將介紹阻斷軸電流回路以及在電機端蓋、殼體與軸承之間構建等電勢體這兩種遏制軸電流的?法，討論分析其中具體?案的研究現狀，為未來電機的軸電流預防措施提供參考[8]。

2 電機軸電流預防措施的研究進展由于電機中IGBT等電?器件?頻開合產?的巨?瞬時電壓變化，使得該電壓對軸承內部形成的油膜電容進?不間斷的充放電，從而在電機軸上產?了軸電壓。當軸電壓達到油膜擊穿電壓閾值時，軸承上的油膜被擊穿進而產?軸電流[9]，該電流會對軸承壽命造成嚴重的損害[10]。

為了減少軸承溫升過快、燒損和電機振動，延?電機運?的可靠壽命[11]，通常會采?阻斷軸電流回路和在電機端蓋、殼體與軸承之間構建等電勢體這兩種?法，其中每種?法都包含了多種市場上存在的多種實施?案。?案的具體實施措施詳?下?。

2.1 阻斷電機軸電流回路法

阻斷軸電流回路的?法是將可以絕緣的軸承座絕緣起來，?般采?強度較?的絕緣材料來承受軸電壓（流），而不是讓油膜直接承受軸電壓。絕緣的?法應該在所有可能構成回路的地點實施，例如：電機勵磁機側主軸承座、電機勵磁機側密封?以及所有與這些軸承相對應的進油管和出油管、?冷機組轉?進?管等。軸承的絕緣材料可以安裝在軸承座與底板之間，進油管和出油管的絕緣材料可以安裝在油管的法蘭上?[12]。?前，?企中經常采?的零部件絕緣主要措施為以下三種：采?特制的陶瓷球軸承，在軸承內外圈表?增加特定涂層，以及在電機端蓋處使?絕緣蓋板。

a.為了阻斷軸電流，?些?企采??本KOYO公司開發(fā)的微型混合氮化硅陶瓷球軸承。

氮化硅有許多優(yōu)點，如：密度輕，絕緣性能佳，耐?溫和耐磨損等。因此，電機在采?該類型軸承時，不僅可以提?電機在?速?作時的性能（摩擦?矩小，振動小，溫升低），還可以減少?速?況下軸電流帶來的燒蝕危害，提?絕緣效果可靠性[13]。某些特制陶瓷球軸承的疲勞壽命甚??普通全鋼軸承的疲勞壽命?5倍，且其在脂潤滑條件下的振動增加值也僅僅是普通全鋼軸承的1/30。

采?氮化硅陶瓷球軸承也有缺點，就是增加了電機成本。與普通?碳鉻鋼軸承相?，該軸承的成本是普通軸承的10倍以上。特斯拉的早期?型采?過陶瓷球軸承，?幅度降低了軸電流帶來的危害，后期?型改為了普通軸承。

b.為了削弱電機軸電流帶來的影響，還可以采?在電機軸承內外圈表?噴涂氧化鋁陶瓷涂層的?式。

經過?量測試對?，結果表明氧化鋁陶瓷涂層的外圈做封孔處理可以提?在?濕度環(huán)境下的絕緣性能[14]，?業(yè)上?般采?純度為99.5%的Al O 噴涂專?粉末。在80℃基2 3體預熱溫度、38 g/min送粉速率和220 r/min轉臺轉速的條件下，涂層厚度?般通過調整等離?噴涂主次?流量、電弧電流、電弧電壓及噴涂距離等主要參數來實現[15]。

市?上噴涂100 μm的Al O 涂層軸承可以承受1 000 2 3VDC的軸電壓，且成本較低，造價為普通涂層軸承的2倍以內。在軸承內外圈采?Al O 涂層也有其缺點，就是對于遏2 3制在IGBT處于超?頻率?況運?時產?的軸電壓的效果并不是?分明顯。

c.另外?種遏制軸電流的?法是在電機端蓋處使?絕緣蓋板。絕緣蓋板的制作材料多為玻璃鋼，層壓板或橡膠[16]。

該?案的內部結構如圖1c所?，其中紅?部分為絕緣板，通過絕緣螺釘與電機端蓋連接。當電機軸電壓升?形成回路產?軸電流時，蓋板的絕緣隔層墊以及絕緣涂層可以避免電流傳導出電機，從而防?對電機軸承造成傷害，以增加電機的使?壽命。同時，絕緣蓋板對?作?員也能起到保護作?，提升使?時的安全性能[17]。

采?絕緣端蓋的優(yōu)點是能?幅度降低成本，且是?種容易實現預防軸電流的?法。其缺點主要體現在：端蓋分為兩部分，加??較多，存在累計誤差，絕緣材料的耐振動等級需要驗證。

2.2 構建端蓋、殼體與軸等電勢體法

另?種防?軸電流對軸承以及密封件造成損害的?法是：在端蓋、殼體與軸之間構建等電勢體。?前?企經常采?以下零部件來構建等電勢體：接地電刷、碳刷式接地環(huán)、毛刷式接地環(huán)、雙油密封導電環(huán)、導電密封圈軸承、導電油脂軸承以及彈簧頂針。各零部件的安裝位置、優(yōu)缺點及其應?案例將在下?進?具體介紹。78036AEA-4B0D-4B76-987E-68215031F08D

接地碳刷可以直接安裝到電機端蓋上，其中碳刷部分是抵到電機軸上。當接地碳刷可靠接地，并且其與轉軸可靠接觸情況下，可以有效降低軸電位[18]。此法保證轉軸電位趨近零電位，防?電機轉軸形成懸浮電位，電荷通過接地點釋放到?地，使軸上?法積累?量電荷，從而消除軸電壓帶來的影響[19]。

采?接地碳刷優(yōu)點為：成本較低（單價約為30元），容易實現。但當碳刷磨損時，會產?許多碳粉，若接地碳刷裝在電機內部，碳粉可能會影響電機?隙，進而影響到電機的性能。?前，?陸集團（Continental）旗下的產品中多采?接地碳刷這種?案。

b.為了減少軸電流對電機軸承的使?壽命造成的破壞性，也可以安裝碳刷式接地環(huán)。

該?案的內部具體結構如圖2b所?[20]。其中??的碳刷部分（部分1）與電機軸過盈配合，?屬部分（部分2）直接安裝在電機殼體上，這兩部分組合后?同形成等勢體接地。采?碳刷式接地環(huán)的優(yōu)點是：成本中等，有很?的耐磨性。使?時有些許碳粉產?，如果進?電機?隙的碳粉積累到?定量，也會影響到電機的性能。但是如果有?夠的安裝空間，碳刷式接地環(huán)也可以根據安裝的位置避免產?的碳粉進?定轉??隙。?前，?企中寶?（ B M W）與?產（Nissan）這些公司旗下的產品多采?碳刷式接地環(huán)。

c.為了避免碳刷磨損時產?的影響電機性能的碳粉，?些?企安裝毛刷式接地環(huán)（圖2c）。毛刷料?般選?聚丙烯烴類和聚酰胺中的?種耐腐蝕，耐?溫，耐?化的優(yōu)質材料[21]。

毛刷式接地環(huán)的優(yōu)點為：安裝簡單，?碳粉產?，有免維護性的特點，其缺點是：價格稍?，其單價為100～300元??幣不等。?前，特斯拉（Tesla）、寶?（BMW，主要是I3以及I8系列）、捷豹（J A G U A R）、現代（H Y U N D A I）、本?（Honda）、精進、?洋、時代電?（株洲）等，這些?企公司旗下的產品多采?毛刷式接地環(huán)。

d.為了實現電機軸與端蓋之間形成等電勢結構，可以安裝雙油封導電環(huán)。具體結構如圖3a所?[22]，該結構是在導電環(huán)與兩側油封間隙中添加導電油脂，并通過雙油封密封，因為導電油脂能夠增加油封壽命。其缺點是油封室的圓柱度以及油封室與軸承室的同軸度要求?，設計安裝相對?較復雜。

e.為了減少因軸電流帶來的電蝕效果的危害，舍弗勒集團（Schaeffler Group）采?過的導電密封圈軸承和導電潤滑脂軸承這兩種樣件的導電軸承?案[23]。其中，在導電密封圈軸承的密封圈中加導電材料使得密封圈與軸承均能導電，從而與端蓋和殼體形成等電勢結構。其優(yōu)點是成本相對較低，僅略貴于普通軸承;其缺點就是對于遏制在IGBT處于超?頻率?況運?時產?的軸電流的效果有待驗證，技術仍未?常成熟。在另?種導電潤滑脂軸承中，不需要增加輔助結構，成本也較低。其缺點是對于通過3A以上的軸電流改善效果不明顯，且壽命偏短。此外，整??駛3～5 km后?作不穩(wěn)定，效果需要等待市場驗證。該導電軸承結構如圖3b所?。

f.另?種?于整?電機的軸電流消除結構是使?彈簧頂針，具體結構如圖3c中所?。在電機后蓋處，其上可設置頂針固定座。頂針固定座與旋變蓋板連接，固定座中設有彈簧和頂針。頂針被固定在螺釘槽內，處于電機轉軸的中軸線上，并且能夠沿著電機軸的軸向伸縮。

彈簧能補償頂針?時間?作引起的磨損量。頂針伸?旋變蓋凹部并與電機轉軸接觸，在電機轉軸上形成的軸電流通過頂針傳遞?零電位的電機后蓋，從而實現軸電流的傳遞消除[24]。

該?案優(yōu)點是：結構相對簡單，軸電流的導通效果良好，且制作成本相對較低;缺點為頂針?時間?作后，容易出現磨損，使?壽命不?。

3 ?種?案對?討論

本??先分析了整?驅動電機軸電流的產?機理和危害，進而研究了消除軸電流危害的兩?類措施，即：阻斷軸電流回路法以及構建端蓋、殼體與軸等電勢體法。研究?作由吉利汽?研究院（Geely Automobile ResearchInstitute）和?連理??學寧波研究院（Ningbo ResearchInstitute，Dalian University of Technology）牽頭，經過對?量市場上現有的電機軸電流預防措施的采集分析，形成了?個詳細結果。

針對各個?案在成本、導電性、可靠性、耐磨性以及供應商應?案例的對?，團隊專家成員根據研究院內建?的評分標準體系對每個措施?案進?了1～10分的評分。分數越?，就說明產品?案在市場的競爭?越強。每個?案的評分結果詳?表1、表2。

表1展?的是阻斷軸電流回路法中市場上常?的三個?案。三者均是絕緣性較好的?案，皆可在電機內部阻斷軸電流，防?形成回路。

綜合成本、可靠性、耐磨損程度這三?度的考量，?前最適合?企采?的?案是內外圈涂層軸承和在電機端蓋處使?絕緣板。雖然陶瓷球軸承沒有電腐蝕?險，但是其在成本上要?出另外兩者太多，以?于鮮有?企堅持采?該?案。表2展?的是市場上常?的構建等勢體的主流?案。這些?案的導電性表現優(yōu)秀，主要是為了在電機端蓋、殼體與電機軸之間形成等勢?，最終使得軸電流接地。

綜合成本、可靠性、耐磨損程度三個?度的考量，?前?較適合?企采?的?案是接地碳刷、碳刷式接地環(huán)以及毛刷式接地環(huán)。這?種?案技術成熟，容易安裝，已應?在許多國內外?企中。導電密封圈和導電油脂軸承?案正在開發(fā)中，技術還未成熟，可靠性不?，因此未?量配置于量產?型中。除此之外，雙油封導電環(huán)?案對于安裝環(huán)境和安裝精度要求頗?，彈簧頂針?案極易出現??積磨損。因此，在?企中這兩種?案也不被?量采?。

4 結語

為了降低軸電流對電機軸?以及其他?低壓零部件帶來的電、燒蝕損害，延?電機的使?壽命，本?介紹了?前市場上電機軸電流預防措施的最新研究進展。阻斷軸電流回路?案和構建端蓋、殼體與軸等電勢體?案均能有效減少軸電流帶來的危害。在成本??，采?阻斷電流回路?案總體優(yōu)于構建等電勢體?案，尤其是其中采?陶瓷球軸承的措施，但由于其價格過于昂貴，?前該措施已經?漸淡出市場。78036AEA-4B0D-4B76-987E-68215031F08D

在耐磨損度和可靠性上，采?構建等電勢體?案表現更加出?。尤其是其中的毛刷式接地環(huán)，安裝結構簡單，?磨損帶來的碳粉?成，可直接免去后期維護。?于舍弗勒和Klueber公司正在開發(fā)的導電密封圈軸承和導電油脂軸承作為?種新型預防軸電流的措施，是汽?零部件領域中?個?分重要的前沿技術。

電機軸電流預防領域的下?步是探索能夠承受更?軸電流的技術?案，延?電機使?壽命，提?可靠性，同時不斷優(yōu)化?藝路線，推動?性能電機的產業(yè)化發(fā)展和更新換代。

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作者簡介：殷?，男，1991年?，助理?程師，研究?向為汽??壓架構設計和系統(tǒng)集成。78036AEA-4B0D-4B76-987E-68215031F08D