直流無刷電機(jī)軸電蝕產(chǎn)生機(jī)理及抑制方法探究

吳彬彬

(廣東美的制冷設(shè)備有限公司，廣東 順德 528311)

0 引 言

BLDC電機(jī)由于其高效率、低噪音、長壽命等優(yōu)良優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)最有發(fā)展前途及廣泛應(yīng)用前景的電子控制電機(jī)。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)用電子換向裝置替代有刷直流電動(dòng)機(jī)的換向器，保留了直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良特性[1]。由于PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆變器導(dǎo)致電機(jī)繞組三相不平衡，進(jìn)而產(chǎn)生共模電壓，在軸承內(nèi)外圈產(chǎn)生軸電壓，軸電壓高于軸承油脂擊穿電壓閾值時(shí)，產(chǎn)生油膜擊穿放電，進(jìn)而產(chǎn)生放電電流，從而帶來軸承溝道和滾珠損傷，這種損傷稱為軸電蝕(高頻電蝕)[2]。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(dòng)電機(jī)中越來越普遍。鑒于變頻電機(jī)軸電蝕帶來的噪音、軸承損傷及降低電機(jī)使用壽命等不良影響，受到各個(gè)行業(yè)的廣泛關(guān)注。

本文基于對(duì)逆變器驅(qū)動(dòng)電路分析，軸電壓產(chǎn)生機(jī)理，結(jié)合電機(jī)內(nèi)部雜散電容搭建了共模等效電路。通過對(duì)電路進(jìn)行分析，找出降低軸電壓方案，利用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真和試驗(yàn)，對(duì)降低軸電壓的不同方案進(jìn)行對(duì)比，提出合理有效的軸電蝕改善方案。

1 軸電蝕產(chǎn)生機(jī)理

1.1 逆變器驅(qū)動(dòng)電路模型

變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用PWM變頻電源供電，通過控制芯片發(fā)出PWM脈沖，驅(qū)動(dòng)逆變器開關(guān)管導(dǎo)通、斷開，使得逆變器輸出一系列等高不等寬的電壓脈沖，等效代替正弦波電壓，從而達(dá)到調(diào)頻調(diào)速目的[3]。等效電路如圖1所示。

圖1 PWM變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

其中,UU、UV、UW分別表示逆變器輸出的U、V、W三相電壓，ia、ib、ic分別表示逆變器輸出端經(jīng)電機(jī)U、V、W三相繞組瞬時(shí)值，R、L分別表示電機(jī)繞組每相等效電阻和漏電感。N為電機(jī)三相星形繞組的交點(diǎn)，Vcom為三相繞組的星形點(diǎn)對(duì)地電壓，即共模電壓。

1.2 軸電蝕產(chǎn)生機(jī)理

共模電壓在電機(jī)內(nèi)部寄生電容耦合作用，在軸承內(nèi)外溝道之間感應(yīng)出電壓[5]。電機(jī)中存在以下幾類耦合電容，Csb為中性點(diǎn)和端蓋之間的電容，Cs為中性點(diǎn)和定子鐵心之間的電容，Cg為定子鐵心和磁瓦之間的電容，Cm為中性點(diǎn)和磁瓦之間電容，Cmg為磁瓦本身電容，Cb為軸承等效電容，Cm為端蓋和逆變器之間的電容，Csn為轉(zhuǎn)軸和逆變器之間的電容。電機(jī)內(nèi)部簡(jiǎn)易共模等效電路圖如圖2所示[6]。

圖2 電機(jī)簡(jiǎn)易共模等效電路圖

在大多數(shù)工況下(低頻)，寄生電容(也稱雜散電容)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，高頻電流流過各寄生電容，產(chǎn)生軸電流[7]。軸電流一般有三種：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為幾mA，對(duì)引起軸電蝕的可能性較低。當(dāng)軸電壓超過潤滑油膜擊穿電壓閾值時(shí)，油膜擊穿，產(chǎn)生放電現(xiàn)象，放電時(shí)伴隨很強(qiáng)的熱效應(yīng)從而造成電腐蝕損傷軸承滾珠和溝道。

2 軸電壓測(cè)試及結(jié)果解析

2.1 共模等效電路模型建立

本文基于塑封直流無刷電機(jī)進(jìn)行研究，電機(jī)為8極12槽，輸出功率為13 W，前后端蓋軸承為608軸承，軸承油脂基礎(chǔ)油運(yùn)動(dòng)粘度為26 mm2/s，逆變器載波頻率為18 kHz。建立無刷直流電機(jī)的耦合電容組合如圖3所示。

圖3 電機(jī)內(nèi)部寄生電容組合

由于電機(jī)外殼未實(shí)際接地，因此本文選取逆變器下橋臂端作為參考點(diǎn)建立電機(jī)驅(qū)動(dòng)和共模等效電路圖如圖4所示。

圖4 電機(jī)簡(jiǎn)易驅(qū)動(dòng)電路和共模等效電路圖

電機(jī)內(nèi)部寄生電容通過精密LCR數(shù)字電橋(型號(hào)：TH2819A)在18 kHz頻率下測(cè)試及相關(guān)計(jì)算求得，其中前后端蓋軸承電容是在1000 r/min轉(zhuǎn)速下測(cè)試得到的結(jié)果，相關(guān)寄生電容測(cè)試或計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 電機(jī)各部寄生電容測(cè)試值

2.2 軸電壓解析

通過驅(qū)動(dòng)板給無刷直流電機(jī)供電使電機(jī)空載轉(zhuǎn)速為1000 r/min，利用示波器(型號(hào)：YOKOGAWA DLM3034)和差分探頭(型號(hào)：YOKOGAWA 701927)對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行軸電壓測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 共模電壓和軸電壓測(cè)量值

由上圖可以看出，共模電壓實(shí)測(cè)213 V，軸電壓7.93 V。并且出現(xiàn)非常明顯的油脂擊穿放電現(xiàn)象(軸電壓出現(xiàn)瞬時(shí)下降情形)。利用Matlab/Simulink仿真軸電壓為6.99 V，由此可知，搭建的共模等效電路模型較準(zhǔn)確，理論仿真基本與實(shí)際測(cè)試相符。

3 軸電壓抑制方法研究

PWM逆變器上下橋臂按照一定的規(guī)律開通、斷開，使電機(jī)三相繞組電壓不平衡，導(dǎo)致共模電壓始終存在。因此為改善軸電蝕問題，降低軸電蝕風(fēng)險(xiǎn)，需要在電機(jī)設(shè)計(jì)階段考慮軸電壓的優(yōu)化手段。通過對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)和電路進(jìn)行優(yōu)化，降低軸電壓，進(jìn)而減少軸電蝕風(fēng)險(xiǎn)。本文主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行探究，分析各種舉措對(duì)軸電壓改善效果。

3.1 鐵心和端蓋導(dǎo)通

通過金屬連接片將端蓋和鐵心直接相連，此時(shí)等效電路圖如圖6所示。

圖6 鐵心和端蓋導(dǎo)通后共模等效電路圖

此時(shí)，仿真出軸電壓為10.33 V，而樣品實(shí)測(cè)值軸電壓為8.9 V，如圖7所示，鐵心和端蓋導(dǎo)通后軸電壓反而上升，未起到改善軸電壓效果。

圖7 鐵心和端蓋導(dǎo)通后軸電壓測(cè)量值

3.2 前后端蓋導(dǎo)通

通過金屬連接片將前后兩個(gè)端蓋進(jìn)行短接，此時(shí)等效電路圖如圖8所示。

圖8 前后端蓋導(dǎo)通后共模等效電路圖

此時(shí)，仿真出軸電壓為3.447 V，而實(shí)際樣品測(cè)試軸電壓為2.39 V，如圖9所示，前后端蓋導(dǎo)通后軸承兩端軸電壓得到明顯改善，波形平穩(wěn)，基本呈現(xiàn)平穩(wěn)的小方波形狀，且未發(fā)現(xiàn)放電現(xiàn)象。由此可知，前后端蓋導(dǎo)通對(duì)電機(jī)軸電壓抑制方法帶來較大改善。

圖9 前后端蓋導(dǎo)通后軸電壓測(cè)試值

3.3 絕緣轉(zhuǎn)子

將轉(zhuǎn)子鐵心分為兩部分，中間增加絕緣層，從而改變轉(zhuǎn)子本身的電容，從而調(diào)整共模電壓分布。轉(zhuǎn)子增加絕緣層后，電機(jī)絕緣轉(zhuǎn)子示意圖和共模等效電路圖如圖10和圖11所示。

圖10 絕緣轉(zhuǎn)子絕緣層示意圖

圖11 絕緣轉(zhuǎn)子共模等效電路圖

通過對(duì)轉(zhuǎn)子絕緣轉(zhuǎn)子自身電容值與軸電壓結(jié)果仿真，仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 絕緣轉(zhuǎn)子自身電容值與軸電壓關(guān)系

當(dāng)轉(zhuǎn)子自身電容在5 pF～18 pF之間，對(duì)軸電壓帶來較大改善，此時(shí)軸電壓基本降至2 V以內(nèi)。實(shí)際樣品中，轉(zhuǎn)子絕緣層電容為13 pF，此時(shí)軸電壓為1.2 V，如圖13所示。

圖13 絕緣轉(zhuǎn)子13 pF時(shí)軸電壓測(cè)試值

3.4 接地電容

此處接地電容并不是實(shí)際上的接地，而是選取的逆變器下橋臂端口GH為參照點(diǎn)時(shí)鐵心和GH端口之間的電容。通過仿真得出該電容值與軸電壓之間的關(guān)系如圖14所示。

圖14 接地電容與軸電壓關(guān)系

接地電容與軸電壓呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且接地電容的增大對(duì)軸電壓改善不顯著。

4 結(jié) 論

分析塑封直流無刷電機(jī)軸電蝕產(chǎn)生機(jī)理，并建立共模等效電路圖模型，通過Matlab/Simulink仿真和實(shí)際樣品測(cè)試對(duì)比，得出共模等效電路圖的有效性。同時(shí)基于該模型對(duì)軸電壓抑制進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)。總結(jié)結(jié)論如下：

(1)理論仿真結(jié)果和實(shí)際樣品測(cè)試結(jié)果基本一致，證明共模等效電路模型建立正確。

(2)前后端蓋導(dǎo)通可以有效降低軸電壓，鐵心和端蓋導(dǎo)通反而不利于降低軸電壓。

(3)絕緣轉(zhuǎn)子電容與軸電壓改善并不呈現(xiàn)直接的正相關(guān)或負(fù)相關(guān)關(guān)系，在5 pF～20 pF之間對(duì)軸電壓改善效果明顯，軸電壓基本降至2 V以下。

(4)鐵心和下橋臂GH端之間電容與軸電壓呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，但是對(duì)軸電壓改善沒有端蓋導(dǎo)通和絕緣轉(zhuǎn)子效果好。