空調用直流電機軸承電腐蝕研究與應用

李磊　吳叢　李文濤　劉洋銘　劉超

摘 要：在使用過程中，家用空調直流電機會出現軸響問題。本文從軸響故障電機失效模式、失效機理、生產過程管控及檢測方式可靠性等方面進行分析。同時，通過直流變頻電機工作原理分析和不同條件下故障模擬復現，找出電機軸承存在的缺陷，并從電機本身可靠性著手，結合檢測方式的創新與完善，提升直流電機的運行可靠性。

關鍵詞：直流電機;軸承電腐蝕;端部感應電壓;軸電流

中圖分類號：TM33;TM925.12 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）32-0058-03

Research?and?Application?of?Electric?Corrosion?of?DC?Motor

Bearings?for?Air?Conditioning

LI?Lei WU?Cong LI?Wentao LIU?Yangming LIU?Chao

（Gree?Electric?Appliances，?Inc.of?Zhengzhou，Zhengzhou?Henan?450001）

Abstract：?In?the?process?of?use，?the?problem?of?shaft?noise?will?occur?in the?DC?motor?of?the?household?air?conditioner.?This?paper?analyzed?the?failure?mode，?failure?mechanism，?production?process?control?and?detection?method?reliability?of?the?shaft?response?fault?motor.?At?the?same?time，?through?the?analysis?of?the?working?principle?of?the?DC?variable?frequency?motor?and?the?fault?simulation?reproduction?under?different?conditions，?the?defects?existing?in?the?motor?bearings?were?found，?and?started?from?the?reliability?of?the?motor?itself，?combined?with?the?innovation?and?improvement?of?the?detection?method，?the?operation?reliability?of?the?DC?motor?was?improved.

Keywords：?continuous?current?dynamo;electrocorrosion?of?bearing;end?induced?voltage;shaft?current

直流電機目前被普遍應用在家用空調領域，基于其變頻的優點，被更多地應用在高端家用空調機型上。隨著生活水平和品質要求的提高，用戶對空調噪聲也有一定的要求。根據市場用戶反饋，使用過程中出現了不同程度的噪聲問題。

1 事件背景

據不完全統計，2018年至今，售后市場陸續反饋，某廠家電機在終端市場使用過程中存在噪聲問題，主要集中在后軸承室內部。因此，筆者對多次反饋的同廠家編碼電機同區域噪聲異常進行調查分析和驗證。

2 問題分析

2.1 故障舊件復核確認

對售后返回舊件進行重新裝機驗證（5臺），試機時發現，電機后端蓋有明顯軸承噪聲，裝機驗證5臺，軸承噪聲及位置基本一致。利用低電阻測試儀對退回電機外部接線片接觸電阻進行測試，接地電阻均較大（125mΩ、150?mΩ、無窮大等），測試時時常出現不穩定、阻值跳動及無窮大等現象。

對接地電阻無窮大電機進行手工用力測試，結果發現，用力程度不同，接線片與后端蓋存在時通時不通現象。接線片與后端蓋接觸不良，后端蓋未完全壓死接線片，才會發生時通時不通現象。使用螺絲刀下壓接線片與后端蓋接觸位置，結果發現，接線片受外力影響會與端蓋形成間隙。繼續對電機拆解，測量注塑定子與接線片配合位的避空槽，標準值為0.5～0.55mm。實際測試發現，電機注塑定子與接線片配合位的避空槽為0.61mm。

同時，對上述電機進行拆解，利用三坐標對電機注塑定子止口、定子內徑同心度及軸承室圓度進行測量（圓度0.01mm、0.05mm，同心度0.1mm、0.14mm），基本一致，未有明顯異常。解剖發現，軸承室內部軸承內圈表面出現類似劃痕，即軸承有受到外力擠壓、摩擦等跡象。

2.2 異常軸承外觀確認分析

對返回舊件進行確認，軸承內圈出現磨損，均勻出現在內圈外徑，且手動轉動有明顯摩擦異響。根據售后回訪，了解使用時間及反饋周期，該電機軸承并非生產初期及剛使用就發生此異常，用戶均反饋在使用一個月左右后電機出現噪聲異常。

根據上述方法對故障電機軸承磨損形狀、受力方向及顏色進行判斷，可初步排除以下相關引發噪聲故障的隱患。一是軸承來料本身質量問題導致內圈受損。二是軸承內圈磨損可能為廠內安裝過程中受非均勻外力擠壓導致，軸承來料內部缺陷在入廠時和生產初期可以被發現并剔除，不會流入售后。三是軸承安裝后在成品運輸過程中發生微動磨損。該軸承噪聲為后期安裝運行后產生，并非初期運行時產生。假設故障噪聲為成品過程運輸造成，軸承內圈外徑劃痕應為軸向延伸，實際故障并非如此。四是軸承室內部缺油導致發熱磨損。故障軸承內圈外徑為點狀不連續性直線劃痕，非軸承室內缺油導致整體發黑變色磨損。五是軸承可能受電腐蝕影響，保持架內滾珠在流通電流作用下析出金屬離子，導致滑道磨損[1]。

2.3 軸承電腐蝕機理初步分析

經過上述初步理論分析、假設驗證及與售后舊件復核失效對比，排除軸承本身缺陷、安裝外力劃傷、運輸過程微動磨損及軸承缺油等原因。目前已初步鎖定為軸承受電腐蝕影響，保持架內滾珠在流通電流作用下析出金屬離子，導致滑道磨損。

根據目前無刷直流電機工作原理，利用PWM技術對脈沖信號寬度進行調制。直流無刷電機有PWM信號參與控制系統，改變磁場磁通量大小，不改變方向。根據楞次定律可知，注塑定子繞組內通過高頻的電流，在其周圍（定子繞組與注塑件、轉子轉軸兩端與軸承外圈、前后鐵殼端蓋等）均會產生高頻感生電動勢[2，3]。上述周圍部件之間，尤其是鐵殼部件之間（軸承內圈與外圈、端蓋鐵殼等）產生的高頻電動勢，如果不及時消除，將會在此期間產生流通電流，導致軸承內圈外徑金屬離子析出，導致磨損。

正常情況下，軸承內、外圈之間由保持架內滾珠進行點對點支撐，很容易產生流通電流，導致類似尖端放電。在運轉過程中，軸伸端部位存在均勻負載，非軸伸端徑向受力不均勻，導致滾珠與軸承內圈擊穿油膜產生流通電流，進而導致電腐蝕。

3 試驗驗證

考慮到以上涉及因素，影響感應電動勢產生、消除的因素主要為：外部前后端蓋連接接觸電阻大小、高低轉速、溫度和負載大小等。

3.1 前后端蓋接觸電阻大小（接觸電阻4.20mΩ、接觸電阻無窮大）

接觸電阻無窮大電機使用負載工裝進行模擬驗證，24h后出現類似售后反饋的軸承摩擦聲，且利用示波器對端蓋前后電壓進行監控，發現端蓋電壓進行周期性放電（即通過內部進行放電）。接觸電阻4.20mΩ電機目前已運行168h，未出現軸承聲，且使用示波器監控前后軸承電壓幅值很小且平穩（通過外部連接時刻放電，消除內外電勢差）。

3.2 同樣接觸電阻無窮大電機的不同轉速對比

調制600r/min電機進行試驗，運行48h后出現類似后軸承噪聲，且前后端蓋放電周期明顯。調制1?000r/min電機進行試驗，運行36h后出現類似軸承噪聲，前后端蓋電壓放電同樣明顯，且根據放電頻率觀察，此放電頻次比低轉速放電頻次更快。

3.3 電機在不同溫度環境下對接地電阻的影響

此方案目前試驗較困難，試根據其失效機理，比較靜態單體電機在不同溫度下外部接地電阻的大小，進而側面判定溫度對軸承電腐蝕的影響。

對其單體3臺試驗電機進行測試，常溫下，接地電阻分別為3.5mΩ、3.8mΩ及3.8mΩ，分別在45℃、55℃及75℃溫度環境下放置2h，后對其測試，接地電阻分別為3.55、3.9及3.85mΩ。對比發現，不同溫度前后的端蓋間接地電阻受溫度變化較小，基本無變化。

3.4 負載大小對軸承電腐蝕的影響

對無窮大接地電阻電機進行空載測試，并安裝模擬負載進行長時間運轉測試，調試期間，其轉速均為800r/min，使其運轉4h后同時觀察電機運行及噪聲狀態，拆下電機端蓋，觀察其內部前后軸承表面狀態。

運行4h后，兩電機均出現噪聲異常，拆下電機前后端蓋觀察內部軸承，發現帶有負載電機靠近非軸伸端內軸承損傷明顯。對空載電機進行拆機，發現前后軸承表面均有損傷，但損傷基本一致，較有負載電機非軸伸端軸承損傷輕。

3.5 小結

對可能影響軸承電腐蝕的因素逐一進行驗證，在進行接地電阻大小及負載驗證時，分別取其極端條件（接地電阻很小、無窮大及空載、模擬負載）進行驗證，結果發現，外部接地電阻、轉速及負載等因素能夠對軸承電腐蝕起到一定的影響。

4 軸承電腐蝕總結

4.1 軸承失效的本質

在應用PWM技術基礎上，高頻直流變頻電引起轉子及其周圍的（尤其是轉軸與軸承外圈）寄生電容累積一定電荷，擊穿軸承內外圈油膜，形成流通電流，導致潤滑界面產生電磁損傷。

4.2 軸承電流產生機理

當電機由電壓型變頻器供電運行時，會形成一個特定的軸承電源（外圈與內圈產生寄生電容），即電機軸承外圈產生高電位，其間若形成回路，將會有電流經過軸承內圈表面，產生電腐蝕。

4.3 端部感應電動勢的形成：PWM變頻器輸出電壓變化率

由于PWM技術固有的脈沖特性，PWM變頻器設備輸出的電壓快速隨時間變化（在短時間內迅速上升或下降），存在較高的電壓變化率（如常用的絕緣柵雙極晶體管IGBT，其電壓變化率極高）。當其作用在轉子附近的寄生電容（軸承內外圈間）時，會使此寄生電容電荷量急劇升高，達到一定數量后將會產生流通電流經過軸承表面。具體流路如圖1所示。

根據圖1分析與電子走向，電機內部存在高頻寄生電容的耦合作用，電機轉軸上會產生一定的感應電壓，當電機運轉時，電機軸承內、外圈及滾子接觸面會在油膜中高速旋轉。由于軸承外圈及滾子與端蓋相連，內圈與轉軸接觸，在軸承內外圈將形成一定的電勢差，即軸電壓，此軸電壓在“5”處積累到一定程度后將會有兩條通道進行釋放。

擊穿油膜絕緣閾值，將產生電容性放電電流，通過2-4-6流通進行放電，在軸承內外圈形成流通電流，此放電電流的重復頻率將會隨著軸承電壓大小及脈沖頻率增加而增加。電機外側前后蓋進行連接，使外部電勢及時降低。電子遷移過程將會產生微弱電流，即2-3-1進行流通。此時要求外部的接觸電阻小于“5”處油膜絕緣閾值，若外部電路阻力較大，依然將會由電機內部進行放電，即售后表現出的電機軸承電腐蝕問題。

4.4 小結

經過分析，此次故障電機軸承電腐蝕機理已基本明確，主要是由于電機產生的電勢差無處釋放，外部接地片電阻較大（接觸不良開路、超過軸承間隙油脂絕緣閾值），經過長時間累積，擊穿油脂的絕緣閾值通過內電路進行放電，在軸承內外圈產生流程電流，軸承內圈外徑與滾珠接觸位置產生金屬熔融和細小的熔融泡，這些表面缺陷的形成能夠加速軸承磨損。由于電機運轉過程中負載的存在，非軸承端受力不平衡，軸承端較易擊穿，因此售后多反饋為電機非軸伸端軸承電腐蝕噪聲。

根據上述分析，外部接地接線片接地電阻小于油膜的絕緣閾值，即可滿足要求。對于油膜目前的絕緣閾值測試及需要小于什么程度的接地電阻，筆者未進行具體的量化對比測試，根據上述電機的失效機理，外部接地電阻越小越好，因此要盡可能使外部接線片接地電阻為零。

此次故障電機廠家針對此售后噪聲異常，進行內部排查，根據測量結果追溯模具使用記錄，結果發現，由于此型號電機訂單量的增加，2019年3月增開2套模具。通過接地導通不良的模具追溯，新開1套模具的1個模腔接線片避空槽深度過大，導致注塑后模具與接線片配合出現間隙，造成接地不良（時通時斷，接地電阻偏大），流通電流從電機內部經過，進而產生軸承電腐蝕。

5 預防方向

電機生產期間，要重點加強對注塑模具每個模腔注塑定子與接線片配合位的避空槽進行管控，關注配合有效性。電機生產過程增加接地導通測試工序，使用低電阻測試儀全檢接地電阻，保證電機前后端蓋導通良好。

參考文獻：

[1]王靜，徐進.變頻電機軸電流形成原因及防范措施[J].聚酯工業，2012（6）：32.

[2]高峰，吳亞旗.變頻電機軸電流分析及對策[J].現代驅動與控制，2007（4）：25.

[3]萬健如，禹華軍，劉洪池.變頻電機軸電壓與軸電流產生機理及其抑制[C]//中國電工技術學會電力電子學會第八屆學術年會.2012.