車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸電壓產(chǎn)生傳導(dǎo)和抑制方法研究

董金鑫

摘 要：【目的】針對(duì)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后，由于軸電壓導(dǎo)致的電機(jī)軸承電蝕問題，分析驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸電壓的產(chǎn)生機(jī)理以及提出相應(yīng)的抑制方法，以提高車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的可靠性。【方法】通過使用Matlab建立永磁同步電機(jī)的控制模型，建立軸承油膜擊穿的模型，結(jié)合電磁仿真軟件計(jì)算電機(jī)的寄生電容，分析軸電壓與控制器母線電壓、開關(guān)頻率、共模電壓、扭矩等的關(guān)系?！窘Y(jié)果】驗(yàn)證了軸電壓的頻率和控制器的開關(guān)頻率相同，軸電壓和控制器的共模電壓在波形上存在鏡像關(guān)系，幅值約是共模電壓幅值的3%，軸電壓與電機(jī)扭矩變化的關(guān)聯(lián)度較低?！窘Y(jié)論】使用該模型可以方便地研究電機(jī)各工況下的軸電壓情況，依據(jù)提出的抑制方法，可在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)初期，采取相應(yīng)措施降低軸電壓及相關(guān)危害。

關(guān)鍵詞：軸承電蝕；永磁同步電機(jī)；軸電壓；共模電壓

中圖分類號(hào)：U469.72? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2024）06-0038-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.06.008

Research on Methods of the Generation Conduction and Suppression of Shaft Voltage of Vehicle Drive Motor

DONG Jinxin

（Tongji University， Shanghai 200092， China）

Abstract： [Purposes] In view of the electric corrosion problem of motor bearings due to shaft voltage after long-term operation of vehicle drive motors， analyze the generation mechanism of drive motor shaft voltage and this paper analyzes corresponding suppression methods to improve the reliability of vehicle drive motor design. [Methods] By using Matlab to establish the control model of the PMSM motor and the bearing oil film breakdown model， and combined with the electromagnetic simulation software to calculate the parasitic capacitance of the motor， this paper analyzes therelationship between shaft voltage and controller bus voltage， switching frequency， common mode voltage， torque， etc. [Findings] It is verified that the frequency of the shaft voltage is the same as the switching frequency of the controller. There is a mirror image relationship between the shaft voltage and the common mode voltage of the controller in the waveform， and the amplitude is about 3% of the common mode voltage amplitude， the correlation between the shaft voltage and the motor torque is low. [Conclusions] This model can be used to conveniently study the shaft voltage under various working conditions of the motor. According to the proposed suppression method， measures can be taken to reduce the shaft voltage in the early stage of the development of the electric drive system.

Keywords： bearing electrical corrosion; permanent magnet synchronous motor; shaft voltage; common mode voltage

0 引言

目前，汽車領(lǐng)域正在如火如荼地進(jìn)行“新四化”建設(shè)，即電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化，其中電動(dòng)化首當(dāng)其沖。電動(dòng)化主要是指驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)為以電機(jī)作為動(dòng)力源。近些年，隨著越來越多的電動(dòng)汽車進(jìn)入市場(chǎng)，以及電動(dòng)汽車的行駛里程累積到一定程度，在售后市場(chǎng)發(fā)現(xiàn)電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)存在因?yàn)殡姍C(jī)軸承的電蝕而引起的異常振動(dòng)和噪聲的問題，如圖1所示。通過對(duì)電機(jī)軸承進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)外圈的滾道上存在搓衣板狀紋路，如圖2所示。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，該紋路是由于軸承內(nèi)部的潤滑油膜存在瞬時(shí)擊穿放電現(xiàn)象，造成滾道上出現(xiàn)微觀凹坑（專業(yè)術(shù)語稱為電蝕），電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后，凹坑位置軸承材料發(fā)生疲勞剝落，進(jìn)而引起軸承振動(dòng)從而形成的。軸承內(nèi)的潤滑油膜擊穿放電是由于軸承內(nèi)外圈之間有電壓存在，簡(jiǎn)稱軸電壓。因此，建立模型來研究軸電壓的產(chǎn)生和傳導(dǎo)機(jī)理，以及研究相應(yīng)的抑制方法和改善措施，對(duì)提高電動(dòng)汽車的可靠性具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 軸電壓的產(chǎn)生和傳導(dǎo)機(jī)理

電動(dòng)汽車三合一驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示。主要由逆變器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和齒輪箱等組成。逆變器的功能是將電池的直流電逆變成三相交流電從而提供給電機(jī)使用，電機(jī)在三相交流電的輸入下，輸出電磁轉(zhuǎn)矩，齒輪箱將轉(zhuǎn)矩以某一速比放大，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)整車。

傳統(tǒng)工業(yè)中三相正弦電源供電的電機(jī)，由于UVW三相電壓相位相差120°，且三相幅值對(duì)稱，電機(jī)定子繞組的中性點(diǎn)對(duì)電機(jī)殼體的電壓始終為0 V。而整車中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)由逆變器供電，車用電機(jī)電流逆變?cè)砣鐖D4所示，電機(jī)多采用SVPWM空間向量脈寬調(diào)制方法，采用一系列不同寬度的脈沖電壓等效代替正弦電壓，這樣三相電壓之和就不再為零（即三相不對(duì)稱）［1］，電機(jī)定子繞組的中性點(diǎn)對(duì)電子殼體的電壓Vn始終在高頻跳變，這種電壓一般稱為共模電壓，是軸電壓和軸電流的主要激勵(lì)源［2］。

電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子組成。電機(jī)定子一般由定子鐵芯、繞組、絕緣紙等組成，定子鐵芯由硅鋼片疊壓而成。繞組主要由漆包線繞制而成，絕緣紙使繞組和鐵芯之間絕緣。電機(jī)轉(zhuǎn)子主要由鐵芯、永磁體、電機(jī)轉(zhuǎn)軸及軸承組成，定轉(zhuǎn)子之間通過氣隙隔離。各個(gè)部件之間由于絕緣，存在寄生電容［3］，如圖5所示。定子鐵芯和電機(jī)機(jī)殼連接在一起，從電氣上認(rèn)為是一個(gè)導(dǎo)體。Cwf是電機(jī)定子繞組和電機(jī)機(jī)殼之間的寄生電容；Cwr是電機(jī)定子繞組和電機(jī)轉(zhuǎn)子之間的寄生電容；Crf是電機(jī)轉(zhuǎn)子和電機(jī)機(jī)殼之間的寄生電容。電機(jī)軸承內(nèi)有潤滑油，軸承滾動(dòng)體和內(nèi)外圈滾道之間被潤滑油膜隔離，當(dāng)軸承在靜態(tài)或者低轉(zhuǎn)速時(shí)，載荷區(qū)的油膜厚度大約只有幾納米。由于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)，當(dāng)有電壓加載到兩端時(shí)，很容易導(dǎo)通，此時(shí)軸承表現(xiàn)為電阻狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時(shí)，由于動(dòng)壓效應(yīng)，潤滑油膜的厚度為0.1～2 nm，此時(shí)軸承表現(xiàn)為電容狀態(tài)［3］，記作Cb。電機(jī)內(nèi)部的寄生電容構(gòu)成了高頻共模電壓的低阻抗耦合通路［4］。

共模電壓和各寄生電容組成的回路可表示為圖6所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，共模電壓Vcom是激勵(lì)源，各寄生電容組成低阻抗的回路。根據(jù)該模型，當(dāng)不考慮齒輪箱的軸承時(shí)，電機(jī)軸承兩端電壓Vb和共模電壓Vcom之間的關(guān)系見式（1）。

[VbVcom=CwrCwr+Crf+Cb1+ Cb2] （1）

2 建模分析

2.1 電機(jī)控制、共模電壓及軸電壓的建模

利用Matlab/Simulink軟件建立永磁同步電機(jī)的閉環(huán)控制模型，調(diào)制方法采用SVPWM，并且從模型中提取出共模電壓Vcom，如圖7所示。該模型以電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩作為輸入，以進(jìn)行不同運(yùn)行工況下的仿真模擬。

以Vcom共模電壓作為激勵(lì)源，電容Cwf、Cwr、Crf及軸承Cb構(gòu)成電氣通路，組成完整的電氣回路，使用示波器記錄共模電壓、軸電壓及軸電流。

軸承油膜的擊穿電壓存在一個(gè)閾值，當(dāng)軸電壓低于該閾值時(shí)，軸承表現(xiàn)為電容態(tài)；當(dāng)軸承壓高于該閾值時(shí)，軸承油膜被擊穿，瞬時(shí)表現(xiàn)為電阻態(tài)；隨著放電結(jié)束，軸承又恢復(fù)為電容態(tài)［5］。按照這個(gè)思路，建立如圖8所示的回路模型。在該模型中，增加邏輯控制模塊，當(dāng)軸承兩端電壓大于等于閾值時(shí)，邏輯開關(guān)輸出1，電阻ohm1對(duì)應(yīng)的開關(guān)閉合，而Cb21對(duì)應(yīng)的開關(guān)打開，此時(shí)軸承處于電阻態(tài)；當(dāng)軸承兩端電壓低于閾值時(shí)，邏輯開關(guān)輸出0，此時(shí)電阻ohm1對(duì)應(yīng)的開關(guān)打開，而Cb21對(duì)應(yīng)的開關(guān)閉合，此時(shí)軸承處于電容態(tài)。

2.2 寄生電容的計(jì)算

電機(jī)寄生電容可以通過解析計(jì)算法或有限元分析方法來獲得，有限元分析方法可以彌補(bǔ)解析計(jì)算法中為了降低計(jì)算復(fù)雜程度所做的一些理想假設(shè)，使計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際。本研究使用JMAG電磁場(chǎng)分析軟件，仿真計(jì)算原理主要依據(jù)電容定義，當(dāng)一個(gè)電壓V加載到兩個(gè)導(dǎo)體上時(shí)，在兩個(gè)導(dǎo)體相互靠近的表面就會(huì)有電荷聚集，假定為Q，那么這兩個(gè)物體的電容就可以表示為C=Q/V，使用JMAG軟件建立1/8電機(jī)模型，如圖9所示。

軸承電容的計(jì)算可以采用同樣的方法，在JMAG軟件中建立軸承模型，如圖10所示。設(shè)置材料屬性后，在軸承內(nèi)外圈之間加載電壓，計(jì)算獲得軸承的電容值。

2.3 仿真結(jié)果

通過仿真發(fā)現(xiàn)共模電壓的波形是階梯波，隨著6個(gè)IGBT開關(guān)時(shí)間的長(zhǎng)短變化，共模電壓波形呈現(xiàn)四步階梯、五步階梯或六步階梯波形，軸電壓波形與共模電壓波形類似，存在鏡像關(guān)系。軸電壓的波形隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，不再呈現(xiàn)絕對(duì)的階梯狀波形，而是呈現(xiàn)帶有尖刺的方波形狀。

本研究采用的共模電壓、軸電壓、軸電流的頻率與控制器的開關(guān)頻率相同。軸電壓幅值約是共模電壓幅值的3%，軸電壓的幅值隨著控制器母線電壓的升高而增加，與電機(jī)扭矩的關(guān)聯(lián)度較低。

此外，當(dāng)軸承是電容狀態(tài)、軸承油膜沒有被擊穿時(shí)，軸承內(nèi)部存在充放電電流，且為毫安級(jí)別，一般認(rèn)為該充放電電流對(duì)軸承傷害較小。但當(dāng)軸電壓超過油膜擊穿閾值時(shí)，軸承內(nèi)部存在尖峰狀瞬時(shí)的擊穿放電電流（也稱作EDM電流），該電流會(huì)造成軸承滾道表面不可逆的損壞。

3 緩解措施

3.1 改變?cè)搭^共模電壓

方法一是從源頭控制算法上，通過優(yōu)化算法來降低共模電壓。目前，車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制中，經(jīng)常使用空間向量脈寬調(diào)制（SVPWM）算法，SVPWM主要分為三個(gè)步驟：第一步，確認(rèn)目標(biāo)電壓指令所在的扇區(qū)；第二步，選擇相應(yīng)的電壓基矢量，并計(jì)算各基矢量的作用時(shí)間；第三步，按照一定的順序，將基矢量的作用時(shí)間轉(zhuǎn)化為三相橋臂的占空比控制信號(hào)。不同開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的共模電壓幅值不同，零矢量下會(huì)產(chǎn)生幅值為Vdc/2的共模電壓，其他電壓矢量下產(chǎn)生的幅值為Vdc/6，選擇產(chǎn)生共模電壓幅值小的開關(guān)狀態(tài)來參與調(diào)制，便可以實(shí)現(xiàn)共模電壓的抑制［6］。例如有研究者提出的等效零矢量脈寬調(diào)制方法（active zero state pulse width modulation）［7］，該方法使用目標(biāo)電壓矢量所在扇區(qū)的兩個(gè)電壓基矢量，以及相鄰扇區(qū)兩個(gè)相反的非零電壓矢量來等效代替零矢量參與調(diào)制，如圖11所示，這樣可以減小共模電壓的幅值至Vdc/6，軸電壓也會(huì)隨之降低。另外針對(duì)控制器的開關(guān)頻率，也可以做一些優(yōu)化。目前使用的IGBT功率器件的開關(guān)頻率最高約為10 kHz，所以在控制策略上，可以考慮在低轉(zhuǎn)速區(qū)域使用較小的開關(guān)頻率，而在高轉(zhuǎn)速區(qū)域使用正常的開關(guān)頻率。具體的轉(zhuǎn)速區(qū)間、扭矩區(qū)間的選擇，要根據(jù)實(shí)際的電機(jī)應(yīng)用做相應(yīng)的仿真和測(cè)試而確定。

方法二是從逆變器到電機(jī)的三相通路方面，使用濾波器或共模磁環(huán)。主要目的是用來降低控制器的電磁輻射，解決EMC的問題，但是在一定程度上也能對(duì)高頻的共模電壓產(chǎn)生抑制作用。

3.2 改變軸承的分壓比例

軸承兩端的分壓比例主要與Cwr即定子繞組和轉(zhuǎn)子寄生電容，Crf轉(zhuǎn)子和定子機(jī)殼寄生電容，以及軸承本身的電容有關(guān)。主要方案是為轉(zhuǎn)子和電機(jī)機(jī)殼增加第二個(gè)低阻抗的并聯(lián)通路，如圖12所示。這樣，軸承寄生電容就被低阻抗的并聯(lián)通路造成短路，交變的寄生電流優(yōu)先從該通路流向機(jī)殼，而電荷也就不會(huì)在軸承的潤滑油膜兩端累積，從而可以較少EDM電流的產(chǎn)生。

在實(shí)際工程中應(yīng)用的導(dǎo)電毛刷是AGEIS公司的導(dǎo)電刷產(chǎn)品，如圖13所示。這種方案的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以與現(xiàn)有的電機(jī)方案進(jìn)行集成。同時(shí)，導(dǎo)電毛刷耐磨損性能較好，壽命周期較長(zhǎng)。對(duì)于目前新能源汽車中越來越多使用的油冷電機(jī)，直接集成這個(gè)導(dǎo)電刷到電機(jī)內(nèi)部，會(huì)造成導(dǎo)電刷毛上粘上潤滑油，這樣會(huì)在一定程度上破壞導(dǎo)電刷毛的導(dǎo)電作用，因此必須為其設(shè)計(jì)獨(dú)立的空間，將其與潤滑油隔離開來。

3.3 改變軸承特性

本研究使用外圈或內(nèi)圈涂了絕緣涂層的軸承，如圖14所示，這種絕緣涂層一般是氧化鋁或其他有機(jī)涂層，涂層厚度一般在100 um左右。這種涂層一般可以承受直流電壓，對(duì)于交流電來說，這種涂層相當(dāng)于一種電介質(zhì)，會(huì)形成類似等效電容。這個(gè)等效電容與軸承內(nèi)部的潤滑油膜電容串聯(lián)，在理論上可以分擔(dān)一部分的軸承電壓，并在一定程度降低潤滑油膜兩側(cè)的電壓，但不能完全消除。因此，這種帶有絕緣涂層的軸承可以降低EDM電流的發(fā)生頻率，對(duì)軸承滾道和滾球起到一定的保護(hù)作用。

使用陶瓷滾動(dòng)體的軸承能夠有效減少EDM電流，軸承的滾動(dòng)體是陶瓷材料，一般是Si3N4，既能夠保證軸承運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)還是絕緣體，能夠使內(nèi)外圈之間絕緣，如圖15所示，軸承內(nèi)外圈被滾動(dòng)體隔離。軸承兩端的電壓不足以建立起來能夠擊穿潤滑油膜，同時(shí)擊穿中間空氣的電場(chǎng)，因此，使用陶瓷滾動(dòng)體軸承，可以有效杜絕軸承內(nèi)部的EDM電流。

此外，軸承除了可以做絕緣處理，也可以做導(dǎo)通處理。軸承內(nèi)部發(fā)生EDM放電的主要原因是潤滑油膜的不導(dǎo)電特性，進(jìn)而形成了等效電容器，在潤滑油膜兩端建立起電壓，瞬時(shí)高強(qiáng)度的放電會(huì)損壞滾道和滾動(dòng)體表面材料。對(duì)于使用潤滑脂的軸承，采取的對(duì)策是使用導(dǎo)電潤滑脂，導(dǎo)電潤滑脂內(nèi)部添加有導(dǎo)電顆粒，按照種類不同，主要有銀粉、鎳粉、銅粉及導(dǎo)電炭黑等［8］，其中導(dǎo)電炭黑主要由碳元素組成，與石墨原子有類似的排列方式，有高導(dǎo)電性和低電阻性的特點(diǎn)［9］。裝有導(dǎo)電潤滑脂的軸承在靜態(tài)下能夠有穩(wěn)定的導(dǎo)電特性，但是軸承是一個(gè)動(dòng)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)的零部件，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，內(nèi)部油脂的分布以及不同位置的厚度均在不斷變化，所以接觸電阻并不是一個(gè)穩(wěn)定值。另外不斷放電會(huì)造成潤滑脂的性能降低，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)影響油脂本身的潤滑效果。

4 結(jié)語

本研究針對(duì)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后，由于軸電壓產(chǎn)生的電機(jī)軸承電蝕問題，通過分析驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸電壓的產(chǎn)生和傳導(dǎo)機(jī)理，建立了PMSM的電機(jī)的控制模型，以及由電機(jī)寄生電容組成的回路模型，并結(jié)合電磁仿真軟件計(jì)算電機(jī)和軸承的電容，分析了軸電壓與控制器母線電壓、開關(guān)頻率、共模電壓、扭矩等的關(guān)聯(lián)關(guān)系，最后提出相應(yīng)的抑制方法來降低軸電壓的大小和危害，該方案有助于提高車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的可靠性。

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