变频调速电机轴电流产生机理及措施

变频调速电机轴电流产生机理及措施

靳宏杰

（中车永济电机有限公司陕西西安710016）

摘要：简要分析了变频调速电机轴电流产生的主要原因，并提出了针对性的处理建议，通过这些改进，可有效地减少轴电流对轴承侵蚀的发生机率，提高电机的运行可靠性。

关键词：轴电流；绝缘轴承；绝缘端盖

0引言

随着单机容量的逐渐增大和变频供电设备的推广使用，轴电流成为电机轴承损伤的一个严重问题。电机的主轴在磁场中旋转，磁路不对称、静电效应、轴的永久磁化等因素，特别是PWM变频器供电的电机，由于变频器脉冲式的供电方式，输出的共模电压不为零，共模电压作用于绕组，与杂散耦合电容形成共模电流通路，经过两端轴承油膜-端盖形成通路的轴电流就是其中一部分。轴电压的波形具有复杂的谐波脉冲分量，在正常情况下轴电压较低时，轴承油膜就能起到良好的绝缘、润滑作用。但是由于某些原因当轴电压提高的一定的数值，就会击穿油膜放电，不但会破坏油膜的稳定性，使润滑脂逐渐劣化，同时，由于轴电流从轴承的金属接触点通过，由于接触点很小，电流密度很大，这就有可能形成了一个的电火花加工电流，在瞬间产生局部高温，使击穿点局部熔化，在滚道内表面出现很多小凹坑，轴承运行条件逐渐变差，最终，轴承会因机械磨损加具而失效。如下图所示：

附图一杂散电容及共模电流通路

Cwf-定子绕组与定子铁心的耦合电容

Crf-定子铁心与转子的耦合电容

Cwr-定子绕组与转子的耦合电容

Cb-轴承油膜的等效电容

1预防措施一：绝缘轴承

1.1绝缘轴承结构及优点：绝缘轴承分为内圈涂层绝缘轴承、外圈涂层绝缘轴承和使用陶瓷材料滚动体的绝缘轴承。前两种绝缘轴承的涂层以等离子喷涂的方式将陶瓷材料涂覆在轴承的内、外圈表面，这种陶瓷材料在潮湿的环境中依然能够保持良好的绝缘性能；陶瓷材料滚动体绝缘轴承是直接将陶瓷材料的制作成滚动体，这种轴承体电阻非常大，可以有效的隔断轴电流。

附图二采用绝缘轴承的的轴承单元示意图

1.2绝缘轴承的缺点：需要直接采购绝缘轴承，这种绝缘轴承国内基本不生产，几乎全部依赖进口。其弊端：价格昂贵，是国产一般轴承价格的20倍左右，是进口普通轴承的3～5倍；市场资源少，供货周期长，遇到紧急情况需要更换或者大批量生产时，轴承采购往往成为制造周期瓶颈点；在维修拆装过程中容易将轴承绝缘层拉坏，限制了轴承单元的维修养护。

2.预防措施二：绝缘端盖

2.1绝缘端盖结构及优点：采用专用的设备或者工装，将涂胶无纬带绕至成一定的形状，然后经加热、保温、固化、冷却、机加工后与端盖连接，作为绝缘垫板隔断轴电流的通路，结构简单实用。结构如下图：

附图三：绝缘端盖的轴承单元结构示意图

2.1绝缘端盖的缺点：结构简单，只需对现有端盖稍加改动即可，在一定范围内已经取代绝缘轴承，有一定的应用基础，例如风力发电等；缺点是缺乏轴向固定，只能适用于卧式安装，如果要应用于立式电机，会造成定转子移位；绝缘材料和金属同轴加工，不易控制加工铁屑嵌入绝缘层的潜在风险；加工过程中使用冷却液，渗透到缝隙之中，造成装配完成后绝缘电阻低；绝缘套管在装配时因孔的加工精度、位置度和螺栓的紧固力矩等因素，极易使套管破裂而形成轴电流绕过绝缘层形成的其他通路。

3.预防措施三：绝缘轴承座

附图四带绝缘涂层轴承单元结构示意图

3.1绝缘轴承室结构及优点：在轴承和端盖轴承室之间增加轴承座。轴承座整个外圈外表面均匀涂覆绝缘层，带有绝缘涂层的轴承座与端盖为过盈配合，热套装配为一体，再将端盖止口和轴承室加工成最终尺寸，可以保证整个绝缘端盖的形位公差满足轴承装配的要求；涂层采用不吸水、具有与金属材料物理性能相近的绝缘材料，如聚四氟乙烯，俗称塑料王，具有抗酸抗碱、耐高温（250℃）、耐磨损、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于任何有机溶剂，体积电阻率1017-1018Ω•cm，介电强度17KV/mm，体积电阻率高，介质损耗小,击穿电压高；电机轴承拆装不必同时拆装轴承座，以便于日常的轴承养护；轴承宽度略大于轴承座的宽度（约0.5mm），外轴承盖顶在轴承座的涂覆层上，内轴承盖与轴承室之间放置一个环形绝缘垫，绝缘垫使用厚度1mm以上环氧酚醛层压布板，这样就在轴承和端盖之间形成一个完整的绝缘层，无论是卧式安装电机还是立式安装电机均可采用此结构的绝缘轴承室；在外轴承盖加工和转轴之间加工时，根据电机大小和电压等级，选用不同的间隙尺寸就可形成满足国家防爆标准的隔爆接合面，将此轴承单元应用于防爆电机。

4结束语

本文简要的介绍了造成轴电流产生的原因及改进措施，除此之外，还有很多的方法，例如改善变频器性能，提高滤波器品质、使用接地电刷等，都能降低轴电流对轴承损害的程度。若要进一步提升变频电机轴承的使用寿命，降低轴承抱死机率，需在产品设计和制作的各个环节加强分析和过程控制，才能最大程度上减少事故的发生。

参考文献

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［2］孙旭东，冯大钧编著.电机学习题与题解.北京：科学出版社.2001

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