變頻電機軸承電氣損傷的原因及措施

李紅軍，李瑞東

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

?

變頻電機軸承電氣損傷的原因及措施

李紅軍，李瑞東

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

摘要變頻電機在激勵工作電壓中會產生軸電壓現象，常用方法是采用絕緣軸承處理。但如果此方法不能及時處理時，由軸電壓引起的軸電流會危害電動機運行的穩定性。通過對變頻電機電氣性能的分析，提出全新的軸電流損傷的解決方案，通過建立放電旁路，安裝導電環將軸承接地，以降低軸電壓，避免發生軸承電氣損傷的故障。

關鍵詞變頻電機；軸電流；電氣損傷；導電環

0引言

隨著交流變頻調速技術的發展，交流變頻電機驅動性能顯著提高，但與此同時，變頻電機軸電流導致軸承故障的現象也日益突現。由于軸電流的存在，電動機每更換軸承1~3個月后，就會出現振動加速度異常增大現象。這些情況的發生，直接導致設備故障，造成巨大損失。從根本上消除軸電流是不切合實際的，因此電動機運行過程中，應將重點放在軸電流的防治上。對電動機軸承進行定期振動檢測，將故障消除在萌芽狀態。

1變頻驅動引起的軸電流

隨著我國持續推進電機系統節能工程，近幾年使用脈沖寬度調制(PWM)變頻驅動來控制交流電機的應用大幅增長。雖然變頻電機的運行成本低且性能高，但如果直接使用變頻器驅動交流電機，可靠性將降低。由變頻驅動引起的軸電流可導致電機故障，如果沒有切實有效的方案，產生的軸電流將通過軸承流向大地，造成軸承的電腐蝕，并產生凹坑或凹槽，引起電機運行的噪聲和振動異常，最終導致軸承故障，甚至電機故障。 大多數交流電機軸承設計壽命是10×104 h，沒有保護措施的變頻電機軸承最快可在1個月內(720 h)失效。某大型電廠的漿液循環泵電機在運行4個月內即出現電機振動和異響的問題，經解析是軸承電腐蝕損傷。另一電廠的冷凝水泵在進行變頻改造后的5個月出現了燒軸承的現象。這些軸承電氣損傷給用戶和電機生產商都造成了巨大的經濟損失。因此，要及時控制電機故障的發生。

電機產生軸電壓的原因：

(1)磁路不對稱導致電壓過高;(2)定子繞組端部鏈接線分布不對稱;(3)定子和轉子不同心;(4)定子扇形硅鋼片導電率不同;(5)裝配不當。

電動機軸電壓控制標準：

(1)國標和IEC無明確規定；

(2)西門子標準：峰峰值小于350mV;

(3)國內標準：有效值小于500mV。

2軸承的電氣損傷

電機軸承故障的不良率取決于很多因素，從電機制造廠反饋的信息表明，較多電機在運行3～12個月內因為軸承故障而停機。目前，為防灰塵和其他污染物，習慣將交流電機軸承封閉。因為軸承潤滑不良而導致的軸承物理損傷越來越少，電氣損傷成為軸承故障最主要的原因。據統計，交流電機的故障有一半是軸承故障，而這些軸承故障中，80%的是由電氣損傷造成的。

在電子顯微鏡下觀察新軸承軌道可以發現，新軸承的內表面是光滑的(如圖1所示)，電機運行時，滾珠不斷與軌道摩擦，在沒有放電的情況下，這種機械摩擦是軸承老化的惟一原因。

圖1　全新軸承軌道放大圖

當電機是變頻驅動時，快速開關的晶閘管會導致交流電機軸上產生了感應電壓(高達70 V或更大峰-峰值)，如圖2所示。

圖2　軸承內部軸電壓放電波形

一旦電壓積累足夠克服軸承內部潤滑油的介電性能，將通過電阻最小的放電回路進行放電，通常是軸承到電機外殼這個回路。正常情況下，軸電壓很低，軸承內的油膜起到絕緣作用不會產生軸電流，當軸電壓較高時或者靜電荷積累到一定程度擊穿絕緣油膜，產生電火花腐蝕電機軸承彈道，在彈道或滾珠子上形成一些微小的凹槽，從而使軸承產生異響，早期的電腐蝕通常是腐蝕斑，這些腐蝕斑數量和規模慢慢變大，變成凹坑，并且隨著電機的運行，凹坑很快覆蓋整個軸承內側滾道，形成肉眼可輕易觀察到的數以百萬計的凹坑，如圖3所示。導致電機運行噪聲和振動異常，這種情況如果不及時發現并處理，軸承電氣損傷將持續惡化，最終造成軸承燒毀。

圖3　運行5400h后的變頻電機軸承軌道

持續不斷的電腐蝕將整個軸承內部變得凹凸不平，軸承的凹槽有時被稱作“搓衣板”槽,如圖4所示。即變頻驅動器的工作頻率會導致軸承內側軌道沿固定間隔電腐蝕，形成了“搓衣板”般的凹槽，這種凹槽將導致的電機運行異常振動和噪聲。

圖4　軸承凹槽

3軸電流損傷的解決措施

雖然有許多技術可以用來保護交流電機的軸承，但很少有方案可以同時滿足高效力、低成本、應用范圍廣等要求。例如：法拉第屏蔽、絕緣結構、陶瓷軸承、導電潤滑脂、接地碳刷等。這些技術都或多或少存在著成本高、易磨損、易污染等情況，因此很少被行業采用。本文根據上述對軸承電流對軸承電氣損傷的分析，提出了全新的解決方法。

3.1　絕緣軸承

軸承絕緣可以阻斷放電回路，軸電流無法通過軸承流向電機外殼和接地，從而保護軸承。但有時，由于陶瓷絕緣材料的電容效應，高頻感應電流會穿過絕緣層，并導致軸承失效。同時，如果電機連接了負載，軸電流可能通過負載的軸承放電，造成負載的軸承故障。除此以外，軸承絕緣或其他軸承隔離的方案實施起來成本也較高。

3.2　建立放電旁路

建立有效的放電旁路電路有時比軸承絕緣效果更好，因為比起阻斷軸電流回路，這個方案可以有效地將軸電流導走。這種理想的解決方案提供一個從電機軸到外殼/設備接地之間非常低阻抗的回路，這種方案實施起來成本較低，可為變頻驅動電機和交流電機提供最大程度的軸承保護，是性價比較高的方案。

3.3　安裝導電環

導電環的材質要求機械強度大，360°全方位接觸軸承，并是電的良導體，還要具有耐腐蝕性，抗油污和粉塵，在與電刷滑動接觸時，必須具備耐磨性和穩定的滑動接觸特性。一般來說，鋼質集電環的耐磨性好，機械強度大。軸承導電環方案通過在一個金屬環上增加一圈超細耐磨的導電纖維，在電機軸和電機外殼/設備接地間建立一個阻抗低、可靠性高的放電旁路，可有效導走軸電流，保護電機軸承。這種方案通過使用電子傳輸技術，加快電子傳輸速率，極大地提高了高頻軸電流釋放的效率。通過無數個電流釋放回路，導電環將軸電流成功繞過軸承導向設備接地。導電環是一個低成本、免維護，免清洗、效率和可靠性高的解決方案，適用于所有變頻驅動的電機和交流電機。

圖5　新型導電纖維大軸接地旁路技術

圖6　安裝導電環的變頻電機

通過在驅動端增加AEGIS導電環，非驅動端增加絕緣端蓋，可切實有效地隔離軸電壓，同時建立放電旁路，有效保護軸承.如圖7所示。

圖7　中高壓/變頻電機軸電壓解決方案

安裝導電環后，軸電壓可以有效得到控制，如圖8和圖9所示，軸電壓的峰峰值由最初的5.60V下降到1.36V，并且沒有檢測到軸電壓放電波形。

圖8　未安裝導電環的軸電壓波形

圖9　安裝導電環后的軸電壓波形

該電機在安裝導電環后持續運行了13個月，沒有再出現異常振動和噪聲的問題，軸電壓導致的軸承電腐蝕得到有效控制，提高整個系統運行的可靠性。 AEGIS 導電環軸承保護方案的技術優勢如下

(1)適用范圍廣。AEGIS導電環適用于所有尺寸和大部分應用場合的電機，包括發電機、燃氣渦輪機、風力發電機、交流牽引機、潔凈室和中央空調系統，以及其他的工業和商業應用領域中。

(2)安裝和維護。導電環可通過螺絲固定在電機軸 的任何一端，通常情況下幾分鐘內即可完成安裝，且安裝后，AEGIS 導電環無需維護，耐磨導電纖 維的磨損非常低。對于正在使用的電機，可使用分裂式設計的導電環，無需拆卸負載即可完成安裝。

4結語

電機的變頻驅動因在高性能運行的同時節約了能源，也是電機系統節能中不可缺少的應用類型，是技術發展的趨勢。但要推廣變頻技術，如何避免軸承的電氣損傷是關鍵，AEGIS導電環通過提供一個阻抗低，接觸可靠的回路，將感應的軸電流導入設備接地，有效防止軸承的電氣損傷，降低電機意外停機造成的損失。AEGIS導電環是迄今為止解決變頻電機和交流電機軸承電氣損傷最有效的和性價比最高的方案之一。

參考文獻

[1]何良，劉皓，劉揚禮，等.PWM變頻驅動電機軸電壓與軸電流的測試方法[J]．環境技術，2015.2.

[2]嚴冠豪，劉園，楊俊飛.變頻電機軸電流的分析[J].防爆電機，2014.5．

[3]高峰，吳亞旗.變頻電機軸電流分析及對策 現代驅動與控制，2008.7.

[4]王慶林，解玉紅，賈強.轉子變頻應用中存在的問題與防治[J].煤礦機電，2010.1.

[5]候江繼.高壓同步電機軸電流分析及改裝措[J]．價值工程，2014.30.

[6]稅航偉，劉紅蕾，張茂振，等.靜止勵磁汽輪發電機軸電壓的形成和預防[J] .工藝與測試，2014.4.

[7]裴海濤.淺析軸電流對電機的危害[J].科技論壇，2014.31.

[8]《Design Aspects of Conductive Microfiber Rings For Shift Gronuging Purpose》Annette Muetze and H．William OH．

[9]于濤，范吉松，韓榮娜.大型水輪發電機空氣流場數值計算分析.防爆電機，2012.4.

Reasons and Solutions on Electric Damage of

Variable-Frequency Motor Bearing

LiHongjunandLiRuidong

(Jiamusi Electric Machine Co.,Ltd.,Jiamusi 154002, China)

AbstractThe shaft voltage phenomenon will occur in motivate working voltage of variable-frequency motor, and the common solution is insulation treatment of bearing. If the method cannot be used timely, shaft current caused by shaft voltage will be harm to stability of running motor. Based on analysis of electric performance of variable-frequency motor, this paper puts forward a new solution to eliminate damage of shaft current, i.e. through establishing discharge bypass and installing conductive ring to achieve bearing grounding. Shaft voltage can be reduced, and then electric damage of bearing can be avoided.

Key wordsVariable-frequency motor；shaft current；electric damage；conductive ring

收稿日期：2015-09-29

作者簡介：李紅軍1974年生；畢業于哈爾濱理工大學電機專業，現從事電機設計工作.

中圖分類號：TM301.2

文獻標識碼：A

文章編號：1008-7281(2015)06-0020-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.06.07