大功率變頻電機軸電流的分析及防范措施

白俊峰

【摘?要】大功率電動機軸承軸電流故障危害極大，會導致軸承的使用壽命縮短，有的運行1～2個月，甚至有的運行幾天就會出現噪聲和振動。大功率電動機一旦出現軸電流，嚴重的甚至幾分鐘內軸承就會燒毀，大則導致轉軸掃膛?？紤]到軸電流對大型電機的影響，有必要對軸電流問題進行分析和探討。

【關鍵詞】大功率變頻電機;軸電流;危害;防范措施

引言

隨著交流調速技術發展日新月異，交流變頻電機的應用越來越廣泛。但與此同時變頻電機軸電流導致軸承異常損壞的問題也日益突現。而在實際生產過程中也也同樣會發生大量變頻電機軸承異常損壞問題。這些情況的發生，直接導致設備故障，造成巨大損失。

一、軸電壓和軸電流的產生

軸電壓是電動機兩軸承端或電機轉軸與軸承間所產生的電壓，其產生原因一般有以下幾種：

1、磁阻不平衡產生軸電壓。電動機由于扇形沖片、硅鋼片等疊裝因素，再加上鐵芯槽、通風孔等的存在，造成在磁路中存在不平衡的磁阻，并且在轉軸的周圍有交變磁通切割轉軸，在軸的兩端感應出軸電壓。

2、逆變供電產生軸電壓。電動機采用逆變供電運行時，由于電源電壓含有較高次的諧波分量，特別是大功率變頻器諧波在電壓脈沖分量的作用下，定子繞組線圈端部、接線部分、轉軸之間產生電磁感應，使轉軸的電位發生變化，從而產生軸電壓。

3、靜電感應產生軸電壓。在電動機運行的現場周圍有較多的高壓設備，在強電場的作用下，在轉軸的兩端感應出軸電壓。

4、外部電源的介入產生軸電壓。由于運行現場接線比較繁雜，尤其大電機保護、測量元件接線較多，哪一根帶電線頭搭接在轉軸上，便會產生軸電壓。

5、其他原因

如靜電荷的積累、測溫元件絕緣破損等因素都有可能導致軸電壓的產生。軸電壓建立起來后，一旦在轉軸及機座、殼體間形成通路，就產生軸電流。

二、軸電流的危害

軸電壓的產生幾乎在所有的電機運轉時或多或少都會有。一般說來，若是軸兩端所產生的軸電壓能夠達到500mV時，就會產生軸電流，所以必須采取一定的絕緣措施。作為滾動軸承，因其滾珠（滾柱）與軸承內外圈滾道的接觸面積要小得多，對軸電流的敏感自然比滑動軸承要更大些，由此可知軸電流給滾動軸承所造成的損傷及破壞顯得更大些。假如軸電流大于2A，這時軸承只能維持運轉200～700h;假如軸電流低于1A時，一般的滾動軸承才可以在沒有大的傷害的情況下得以有效運轉。

若是放電部位的金屬接觸點很小，那么流經這些點的電流密度將會很大，其瞬間產生的高溫，足以造成軸承的局部燒傷，比如會在在滾珠或滾道上燒出一些小凹坑。假如是長期有軸電流產生，那么，那些個小凹坑的麻點會越來越多，嚴重時滾動軸承的滾道上就將有凹槽出現（如下圖所示），或者造成滑動軸承的軸頸和軸瓦的灼傷，嚴重者甚至會使軸承完全遭到損壞，噪聲出現、振動或停機就成為可能。在那些爆炸性的危險場所運轉的電機，若是軸電流過大，其產生的過熱或火花，就有可能引發爆炸，從而釀成重大的事故。

綜上可知：軸電流的放電作用所帶來的卞要后果有以下幾個方面：①能夠在放電區域把金屬粒子熔化，從而在金屬表而形成許多的電蝕凹坑，雖然他們極微小，但其破壞作用不可低估;②這些極微小的凹坑慢慢積聚，達到一定的程度，不僅使表而變得粗糙，失去光澤，如果發生在軸瓦上還會造成純機械的磨損;③若是熔化的金屬微粒一旦進入潤滑系統，那么潤滑劑必然會受到污染，從而使得整個潤滑系統的潤滑性能遭到損壞，這是含有大量金屬微粒的潤滑劑必然要降低油膜的電阻，從而加速電火花侵蝕的進展;④在軸承承載區所產生的局部高溫，也會讓油膜遭到破壞，金屬被燒壞，增加了磨耗，從而造成嚴重的摩擦損壞。

三、軸電流對軸承的破壞

正常情況下，轉軸與軸承間有潤滑油膜的存在，起到絕緣的作用。對于較低的軸電壓，這層潤滑油膜仍能保護其絕緣性能，不會產生軸電流。但是當軸電壓增加到一定數值時，尤其在電動機啟動時，軸承內的潤滑油膜還未穩定形成，軸電壓將擊穿油膜而放電，構成回路，軸電流將從軸承和轉軸的金屬接觸點通過，由于該金屬接觸點很小，所以這些點的電流密度大，在瞬間產生高溫，使軸承局部燒熔，被燒熔的軸承合金在碾壓力的作用下飛濺，于是在軸承內表面上燒出小凹坑。一般由于轉軸硬度及機械強度比軸承燒熔合金的高，通常表現出來的癥狀是軸承內表面被壓出條狀電弧傷痕。

四、軸電流的防范措施

對電機用戶來說，軸電壓是無法避免的，但只要不產生閉合回路，就不會產生軸電流。防止措施由于電機結構不同，采用的方法也不同，端蓋式滑動軸承可通過在軸承座與軸瓦配合面上粘接絕緣層防止軸電流;而座式滑動軸承僅需在軸承座與底架間加3240環氧布板、3240墊圈及3240絕緣管即可。以下重點介紹滾動軸承防止軸電流的辦法。

1、絕緣軸承。絕緣軸承的結構形式分內圈絕緣和外圈絕緣，這種防止軸電流的方法雖然簡單，但成本高。

2、絕緣軸承套。絕緣軸月套有兩種，一是組裝式，對軸承套與端蓋配合的面采用環氧樹脂絕緣漆調配后進行封塑。待其固化后，根據配合要求進行加工。裝配時，為了達到絕緣效果，必須將螺栓與端蓋、軸承套等零部件之間進行絕緣，即需增加絕緣墊和絕緣圈，組裝較繁瑣，見圖1。二是封塑式，是軸承套與軸承、油蓋配合的面間采用環氧樹脂絕緣漆調配后進行封塑，待其固化后，根據配合要求進行加工。

3、絕緣軸承室。軸承室的內徑與軸承外徑配合，可在其內徑表面進行噴涂絕緣材料（如鐵氟龍），根據與軸承配合要求進行裝配，一般軸承的裝入采用熱套的辦法。

4、“軸”絕緣?！拜S”絕緣是轉軸精加工后，在轉軸的軸承檔、油蓋檔噴鍍絕緣材料。根據與軸承配合要求進行裝配。

5、安裝碳刷。安裝碳刷結構形式與以上種目的不同，它的目的是消除軸上的感應電勢，使軸承內、外圈沒有電位差。方法是在軸伸端與端蓋之間安裝碳刷，通過碳刷把端蓋與轉軸連接起來，產生短路，消除軸上感應電勢、消除軸承電位差，應用時，可根據不同生產條件、電機的結構、規格等加以選擇。例如：臺灣東元電機有限公司以電機絕緣軸承室、安裝碳刷的方式為主;西門子公司以絕緣軸承室為主;日本YASKAWA公司以安裝碳刷方式為主。

6、抑制電源諧波。當用變頻器供電時，系統正確接地、合理選用平波電抗器、d V/d t 濾波器以及考慮變頻器與電機間電纜的駐波效應，盡量縮短變頻器與電動機間的電纜長度等措施，降低諧波、減少軸電流、噪聲、震動和電機溫升。減小或抑制尖峰過電壓的幅值，可以采用 2 種方法：一是在電纜兩側增加電抗器（扼流圈）或濾波器，這樣可以有效減緩電源端輸出電壓脈沖的上升速度;二是在設計時應盡量減少變頻器與電機間的電纜長度，通過縮短電纜長度降低 2 者間暫態的波過程的振蕩周期，從而降低電機端過電壓。

結束語

綜上所述，隨著變頻調速技術的發展，大功率變頻電機軸電流問題已經不容忽視。為有效保持變頻電機的運行狀態、延長使用壽命，必須采取相應的措施來預防軸電流。在根本上無法杜絕軸電流的前提下，電機采取絕緣措施是目前最簡單、有效預防軸電流的方法。此外，通過對電機軸承的定期振動檢測，結合軸承失效分析，可幫助發現軸電流造成的軸承早期損壞。

參考文獻：

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（作者單位：中天合創能源有限公司）