電機(jī)軸電流預(yù)防措施的研究分析

殷?　朱晨迪　余旭東

摘要：闡述了永磁同步電機(jī)軸電壓（流）的產(chǎn)?機(jī)理，總結(jié)了電機(jī)產(chǎn)?軸電流導(dǎo)致軸承燒損及軸電流對(duì)電機(jī)的危害。此外，介紹了兩?類針對(duì)電機(jī)軸電流預(yù)防措施的研究進(jìn)展，并從成本、導(dǎo)電性、可靠性、耐磨損度、應(yīng)?案例以及供應(yīng)商等??，對(duì)各種?案進(jìn)?了詳細(xì)的對(duì)?，同時(shí)也為整?企業(yè)解決電機(jī)軸電流問題提供了可供借鑒的?法和?段。

軸電流問題提供了可供借鑒的?法和?段。

關(guān)鍵詞：電機(jī);軸電流;措施;研究分析

中圖分類號(hào)：TM32 收稿?期：2022-03-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.06.016

1 研究背景

現(xiàn)今汽?的電驅(qū)系統(tǒng)需要越來越?的電壓脈沖，?些?型甚?已經(jīng)搭載可以承受800 V?壓的碳化硅電驅(qū)系統(tǒng)[1]。在整?運(yùn)?過程中，這些?整流頻率的?壓脈沖將導(dǎo)致?電流脈沖通過軸承，反復(fù)的?電流流經(jīng)電機(jī)軸承會(huì)逐漸燒蝕軸承座圈，因此研究軸電壓和軸電流以及其預(yù)防措施有著重要意義[2]。

電機(jī)在正弦波電源驅(qū)動(dòng)下運(yùn)?時(shí)，通過電機(jī)軸的交變磁鏈產(chǎn)?軸電壓。這些磁鏈?zhǔn)怯赊D(zhuǎn)?和定?分離鐵??之間的接觸部分、磁性材料的定向?qū)傩院凸╇婋娫床黄胶獾纫蛩匾鸫磐ú黄胶舛a(chǎn)?的[3]。例如：磁路不對(duì)稱、電容電流、靜電效應(yīng)、靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)、外殼和軸等的永久磁化，均有可能引起軸電壓[4]。在軸電壓的波形中，存在許多復(fù)雜的諧波脈沖分量，這些諧波分量會(huì)傷害到軸上的絕緣油膜[5]。若軸電壓超過軸承油層擊穿電壓，則在軸承上會(huì)形成很?的軸電流。該電流會(huì)燒蝕軸承部件，造成很?危害[6]。

最本質(zhì)避免軸電流的?法是提供合適的接地路徑，且讓離散電流回到變頻器，從而使得電流避開軸承[7]。本?也將介紹阻斷軸電流回路以及在電機(jī)端蓋、殼體與軸承之間構(gòu)建等電勢(shì)體這兩種遏制軸電流的?法，討論分析其中具體?案的研究現(xiàn)狀，為未來電機(jī)的軸電流預(yù)防措施提供參考[8]。

2 電機(jī)軸電流預(yù)防措施的研究進(jìn)展由于電機(jī)中IGBT等電?器件?頻開合產(chǎn)?的巨?瞬時(shí)電壓變化，使得該電壓對(duì)軸承內(nèi)部形成的油膜電容進(jìn)?不間斷的充放電，從而在電機(jī)軸上產(chǎn)?了軸電壓。當(dāng)軸電壓達(dá)到油膜擊穿電壓閾值時(shí)，軸承上的油膜被擊穿進(jìn)而產(chǎn)?軸電流[9]，該電流會(huì)對(duì)軸承壽命造成嚴(yán)重的損害[10]。

為了減少軸承溫升過快、燒損和電機(jī)振動(dòng)，延?電機(jī)運(yùn)?的可靠壽命[11]，通常會(huì)采?阻斷軸電流回路和在電機(jī)端蓋、殼體與軸承之間構(gòu)建等電勢(shì)體這兩種?法，其中每種?法都包含了多種市場上存在的多種實(shí)施?案。?案的具體實(shí)施措施詳?下?。

2.1 阻斷電機(jī)軸電流回路法

阻斷軸電流回路的?法是將可以絕緣的軸承座絕緣起來，?般采?強(qiáng)度較?的絕緣材料來承受軸電壓（流），而不是讓油膜直接承受軸電壓。絕緣的?法應(yīng)該在所有可能構(gòu)成回路的地點(diǎn)實(shí)施，例如：電機(jī)勵(lì)磁機(jī)側(cè)主軸承座、電機(jī)勵(lì)磁機(jī)側(cè)密封?以及所有與這些軸承相對(duì)應(yīng)的進(jìn)油管和出油管、?冷機(jī)組轉(zhuǎn)?進(jìn)?管等。軸承的絕緣材料可以安裝在軸承座與底板之間，進(jìn)油管和出油管的絕緣材料可以安裝在油管的法蘭上?[12]。?前，?企中經(jīng)常采?的零部件絕緣主要措施為以下三種：采?特制的陶瓷球軸承，在軸承內(nèi)外圈表?增加特定涂層，以及在電機(jī)端蓋處使?絕緣蓋板。

a.為了阻斷軸電流，?些?企采??本KOYO公司開發(fā)的微型混合氮化硅陶瓷球軸承。

氮化硅有許多優(yōu)點(diǎn)，如：密度輕，絕緣性能佳，耐?溫和耐磨損等。因此，電機(jī)在采?該類型軸承時(shí)，不僅可以提?電機(jī)在?速?作時(shí)的性能（摩擦?矩小，振動(dòng)小，溫升低），還可以減少?速?況下軸電流帶來的燒蝕危害，提?絕緣效果可靠性[13]。某些特制陶瓷球軸承的疲勞壽命甚??普通全鋼軸承的疲勞壽命?5倍，且其在脂潤滑條件下的振動(dòng)增加值也僅僅是普通全鋼軸承的1/30。

采?氮化硅陶瓷球軸承也有缺點(diǎn)，就是增加了電機(jī)成本。與普通?碳鉻鋼軸承相?，該軸承的成本是普通軸承的10倍以上。特斯拉的早期?型采?過陶瓷球軸承，?幅度降低了軸電流帶來的危害，后期?型改為了普通軸承。

b.為了削弱電機(jī)軸電流帶來的影響，還可以采?在電機(jī)軸承內(nèi)外圈表?噴涂氧化鋁陶瓷涂層的?式。

經(jīng)過?量測試對(duì)?，結(jié)果表明氧化鋁陶瓷涂層的外圈做封孔處理可以提?在?濕度環(huán)境下的絕緣性能[14]，?業(yè)上?般采?純度為99.5%的Al O 噴涂專?粉末。在80℃基2 3體預(yù)熱溫度、38 g/min送粉速率和220 r/min轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速的條件下，涂層厚度?般通過調(diào)整等離?噴涂主次?流量、電弧電流、電弧電壓及噴涂距離等主要參數(shù)來實(shí)現(xiàn)[15]。

市?上噴涂100 μm的Al O 涂層軸承可以承受1 000 2 3VDC的軸電壓，且成本較低，造價(jià)為普通涂層軸承的2倍以內(nèi)。在軸承內(nèi)外圈采?Al O 涂層也有其缺點(diǎn)，就是對(duì)于遏2 3制在IGBT處于超?頻率?況運(yùn)?時(shí)產(chǎn)?的軸電壓的效果并不是?分明顯。

c.另外?種遏制軸電流的?法是在電機(jī)端蓋處使?絕緣蓋板。絕緣蓋板的制作材料多為玻璃鋼，層壓板或橡膠[16]。

該?案的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1c所?，其中紅?部分為絕緣板，通過絕緣螺釘與電機(jī)端蓋連接。當(dāng)電機(jī)軸電壓升?形成回路產(chǎn)?軸電流時(shí)，蓋板的絕緣隔層墊以及絕緣涂層可以避免電流傳導(dǎo)出電機(jī)，從而防?對(duì)電機(jī)軸承造成傷害，以增加電機(jī)的使?壽命。同時(shí)，絕緣蓋板對(duì)?作?員也能起到保護(hù)作?，提升使?時(shí)的安全性能[17]。

采?絕緣端蓋的優(yōu)點(diǎn)是能?幅度降低成本，且是?種容易實(shí)現(xiàn)預(yù)防軸電流的?法。其缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在：端蓋分為兩部分，加??較多，存在累計(jì)誤差，絕緣材料的耐振動(dòng)等級(jí)需要驗(yàn)證。

2.2 構(gòu)建端蓋、殼體與軸等電勢(shì)體法

另?種防?軸電流對(duì)軸承以及密封件造成損害的?法是：在端蓋、殼體與軸之間構(gòu)建等電勢(shì)體。?前?企經(jīng)常采?以下零部件來構(gòu)建等電勢(shì)體：接地電刷、碳刷式接地環(huán)、毛刷式接地環(huán)、雙油密封導(dǎo)電環(huán)、導(dǎo)電密封圈軸承、導(dǎo)電油脂軸承以及彈簧頂針。各零部件的安裝位置、優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)?案例將在下?進(jìn)?具體介紹。78036AEA-4B0D-4B76-987E-68215031F08D

接地碳刷可以直接安裝到電機(jī)端蓋上，其中碳刷部分是抵到電機(jī)軸上。當(dāng)接地碳刷可靠接地，并且其與轉(zhuǎn)軸可靠接觸情況下，可以有效降低軸電位[18]。此法保證轉(zhuǎn)軸電位趨近零電位，防?電機(jī)轉(zhuǎn)軸形成懸浮電位，電荷通過接地點(diǎn)釋放到?地，使軸上?法積累?量電荷，從而消除軸電壓帶來的影響[19]。

采?接地碳刷優(yōu)點(diǎn)為：成本較低（單價(jià)約為30元），容易實(shí)現(xiàn)。但當(dāng)碳刷磨損時(shí)，會(huì)產(chǎn)?許多碳粉，若接地碳刷裝在電機(jī)內(nèi)部，碳粉可能會(huì)影響電機(jī)?隙，進(jìn)而影響到電機(jī)的性能。?前，?陸集團(tuán)（Continental）旗下的產(chǎn)品中多采?接地碳刷這種?案。

b.為了減少軸電流對(duì)電機(jī)軸承的使?壽命造成的破壞性，也可以安裝碳刷式接地環(huán)。

該?案的內(nèi)部具體結(jié)構(gòu)如圖2b所?[20]。其中??的碳刷部分（部分1）與電機(jī)軸過盈配合，?屬部分（部分2）直接安裝在電機(jī)殼體上，這兩部分組合后?同形成等勢(shì)體接地。采?碳刷式接地環(huán)的優(yōu)點(diǎn)是：成本中等，有很?的耐磨性。使?時(shí)有些許碳粉產(chǎn)?，如果進(jìn)?電機(jī)?隙的碳粉積累到?定量，也會(huì)影響到電機(jī)的性能。但是如果有?夠的安裝空間，碳刷式接地環(huán)也可以根據(jù)安裝的位置避免產(chǎn)?的碳粉進(jìn)?定轉(zhuǎn)??隙。?前，?企中寶?（ B M W）與?產(chǎn)（Nissan）這些公司旗下的產(chǎn)品多采?碳刷式接地環(huán)。

c.為了避免碳刷磨損時(shí)產(chǎn)?的影響電機(jī)性能的碳粉，?些?企安裝毛刷式接地環(huán)（圖2c）。毛刷料?般選?聚丙烯烴類和聚酰胺中的?種耐腐蝕，耐?溫，耐?化的優(yōu)質(zhì)材料[21]。

毛刷式接地環(huán)的優(yōu)點(diǎn)為：安裝簡單，?碳粉產(chǎn)?，有免維護(hù)性的特點(diǎn)，其缺點(diǎn)是：價(jià)格稍?，其單價(jià)為100～300元??幣不等。?前，特斯拉（Tesla）、寶?（BMW，主要是I3以及I8系列）、捷豹（J A G U A R）、現(xiàn)代（H Y U N D A I）、本?（Honda）、精進(jìn)、?洋、時(shí)代電?（株洲）等，這些?企公司旗下的產(chǎn)品多采?毛刷式接地環(huán)。

d.為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)軸與端蓋之間形成等電勢(shì)結(jié)構(gòu)，可以安裝雙油封導(dǎo)電環(huán)。具體結(jié)構(gòu)如圖3a所?[22]，該結(jié)構(gòu)是在導(dǎo)電環(huán)與兩側(cè)油封間隙中添加導(dǎo)電油脂，并通過雙油封密封，因?yàn)閷?dǎo)電油脂能夠增加油封壽命。其缺點(diǎn)是油封室的圓柱度以及油封室與軸承室的同軸度要求?，設(shè)計(jì)安裝相對(duì)?較復(fù)雜。

e.為了減少因軸電流帶來的電蝕效果的危害，舍弗勒集團(tuán)（Schaeffler Group）采?過的導(dǎo)電密封圈軸承和導(dǎo)電潤滑脂軸承這兩種樣件的導(dǎo)電軸承?案[23]。其中，在導(dǎo)電密封圈軸承的密封圈中加導(dǎo)電材料使得密封圈與軸承均能導(dǎo)電，從而與端蓋和殼體形成等電勢(shì)結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是成本相對(duì)較低，僅略貴于普通軸承;其缺點(diǎn)就是對(duì)于遏制在IGBT處于超?頻率?況運(yùn)?時(shí)產(chǎn)?的軸電流的效果有待驗(yàn)證，技術(shù)仍未?常成熟。在另?種導(dǎo)電潤滑脂軸承中，不需要增加輔助結(jié)構(gòu)，成本也較低。其缺點(diǎn)是對(duì)于通過3A以上的軸電流改善效果不明顯，且壽命偏短。此外，整??駛3～5 km后?作不穩(wěn)定，效果需要等待市場驗(yàn)證。該導(dǎo)電軸承結(jié)構(gòu)如圖3b所?。

f.另?種?于整?電機(jī)的軸電流消除結(jié)構(gòu)是使?彈簧頂針，具體結(jié)構(gòu)如圖3c中所?。在電機(jī)后蓋處，其上可設(shè)置頂針固定座。頂針固定座與旋變蓋板連接，固定座中設(shè)有彈簧和頂針。頂針被固定在螺釘槽內(nèi)，處于電機(jī)轉(zhuǎn)軸的中軸線上，并且能夠沿著電機(jī)軸的軸向伸縮。

彈簧能補(bǔ)償頂針?時(shí)間?作引起的磨損量。頂針伸?旋變蓋凹部并與電機(jī)轉(zhuǎn)軸接觸，在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上形成的軸電流通過頂針傳遞?零電位的電機(jī)后蓋，從而實(shí)現(xiàn)軸電流的傳遞消除[24]。

該?案優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，軸電流的導(dǎo)通效果良好，且制作成本相對(duì)較低;缺點(diǎn)為頂針?時(shí)間?作后，容易出現(xiàn)磨損，使?壽命不?。

3 ?種?案對(duì)?討論

本??先分析了整?驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸電流的產(chǎn)?機(jī)理和危害，進(jìn)而研究了消除軸電流危害的兩?類措施，即：阻斷軸電流回路法以及構(gòu)建端蓋、殼體與軸等電勢(shì)體法。研究?作由吉利汽?研究院（Geely Automobile ResearchInstitute）和?連理??學(xué)寧波研究院（Ningbo ResearchInstitute，Dalian University of Technology）牽頭，經(jīng)過對(duì)?量市場上現(xiàn)有的電機(jī)軸電流預(yù)防措施的采集分析，形成了?個(gè)詳細(xì)結(jié)果。

針對(duì)各個(gè)?案在成本、導(dǎo)電性、可靠性、耐磨性以及供應(yīng)商應(yīng)?案例的對(duì)?，團(tuán)隊(duì)專家成員根據(jù)研究院內(nèi)建?的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)每個(gè)措施?案進(jìn)?了1～10分的評(píng)分。分?jǐn)?shù)越?，就說明產(chǎn)品?案在市場的競爭?越強(qiáng)。每個(gè)?案的評(píng)分結(jié)果詳?表1、表2。

表1展?的是阻斷軸電流回路法中市場上常?的三個(gè)?案。三者均是絕緣性較好的?案，皆可在電機(jī)內(nèi)部阻斷軸電流，防?形成回路。

綜合成本、可靠性、耐磨損程度這三?度的考量，?前最適合?企采?的?案是內(nèi)外圈涂層軸承和在電機(jī)端蓋處使?絕緣板。雖然陶瓷球軸承沒有電腐蝕?險(xiǎn)，但是其在成本上要?出另外兩者太多，以?于鮮有?企堅(jiān)持采?該?案。表2展?的是市場上常?的構(gòu)建等勢(shì)體的主流?案。這些?案的導(dǎo)電性表現(xiàn)優(yōu)秀，主要是為了在電機(jī)端蓋、殼體與電機(jī)軸之間形成等勢(shì)?，最終使得軸電流接地。

綜合成本、可靠性、耐磨損程度三個(gè)?度的考量，?前?較適合?企采?的?案是接地碳刷、碳刷式接地環(huán)以及毛刷式接地環(huán)。這?種?案技術(shù)成熟，容易安裝，已應(yīng)?在許多國內(nèi)外?企中。導(dǎo)電密封圈和導(dǎo)電油脂軸承?案正在開發(fā)中，技術(shù)還未成熟，可靠性不?，因此未?量配置于量產(chǎn)?型中。除此之外，雙油封導(dǎo)電環(huán)?案對(duì)于安裝環(huán)境和安裝精度要求頗?，彈簧頂針?案極易出現(xiàn)??積磨損。因此，在?企中這兩種?案也不被?量采?。

4 結(jié)語

為了降低軸電流對(duì)電機(jī)軸?以及其他?低壓零部件帶來的電、燒蝕損害，延?電機(jī)的使?壽命，本?介紹了?前市場上電機(jī)軸電流預(yù)防措施的最新研究進(jìn)展。阻斷軸電流回路?案和構(gòu)建端蓋、殼體與軸等電勢(shì)體?案均能有效減少軸電流帶來的危害。在成本??，采?阻斷電流回路?案總體優(yōu)于構(gòu)建等電勢(shì)體?案，尤其是其中采?陶瓷球軸承的措施，但由于其價(jià)格過于昂貴，?前該措施已經(jīng)?漸淡出市場。78036AEA-4B0D-4B76-987E-68215031F08D

在耐磨損度和可靠性上，采?構(gòu)建等電勢(shì)體?案表現(xiàn)更加出?。尤其是其中的毛刷式接地環(huán)，安裝結(jié)構(gòu)簡單，?磨損帶來的碳粉?成，可直接免去后期維護(hù)。?于舍弗勒和Klueber公司正在開發(fā)的導(dǎo)電密封圈軸承和導(dǎo)電油脂軸承作為?種新型預(yù)防軸電流的措施，是汽?零部件領(lǐng)域中?個(gè)?分重要的前沿技術(shù)。

電機(jī)軸電流預(yù)防領(lǐng)域的下?步是探索能夠承受更?軸電流的技術(shù)?案，延?電機(jī)使?壽命，提?可靠性，同時(shí)不斷優(yōu)化?藝路線，推動(dòng)?性能電機(jī)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和更新?lián)Q代。

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作者簡介：殷?，男，1991年?，助理?程師，研究?向?yàn)槠??壓架構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成。78036AEA-4B0D-4B76-987E-68215031F08D