直流無刷電機軸電蝕產生機理及可靠性評價

徐偉堂 吳彬彬

（廣東美的制冷設備有限公司 佛山 528311）

引言

BLDC 電機由于其高效率、低噪音、長壽命等優良優點，被譽為21 世紀最有發展前途及廣泛應用前景的電子控制電機。永磁無刷直流電動機用電子換向裝置替代有刷直流電動機的換向器，保留了直流電動機的優良特性[1]。同時，由于逆變器帶來的電機繞組三相不平衡，產生的共模電壓，在軸承內外圈產生軸電壓也不容忽視。當軸電壓高于軸承油脂擊穿電壓閾值時，產生油膜擊穿放電，進而產生放電電流，從而帶來軸承溝道和滾珠損傷，這種損傷稱為軸電蝕（高頻電蝕）[2]。這種現象在家用電器和工業發電機等變頻控制電驅動電機中越來越普遍。隨著國內變頻化進程的進一步加快，對直流電機產品需求日益增長。新能效標準頒布實施后，進一步推動變頻結構的再次大幅度提升，空調直流電機占比也將相應得到大幅提升。這對直流電機軸電蝕問題也提出了更加嚴峻的考驗。

本文基于對BLDC 電機逆變器驅動電路分析，軸電壓產生機理，結合電機內部雜散電容搭建共模等效電路，進而解析軸電蝕產生機理。同時提出軸電流和放電率可靠性評價方法和測試方法來完善對于軸電蝕的可靠性評價，完善當前行業內單獨采用軸電壓單一的評價指標。

1 軸電蝕產生機理

1.1 逆變器驅動電路模型

變頻驅動電機采用變頻電源供電，通過控制芯片發出PWM 脈沖，驅動逆變器開關管導通、斷開，使得逆變器輸出一系列等高不等寬的電壓脈沖，等效代替正弦波電壓，從而達到調頻調速目的[3]。等效電路如圖1所示。

圖1 PWM 變頻驅動電機驅動電路

其中N 為電機三相星形繞組的交點，Vcom為三相繞組的星形點對地電壓，即共模電壓。由于PWM 逆變器供電，即脈沖寬度調制方式時，逆變器6 個IGBT 按照一定的規律開通、斷開，變頻器輸出一系列等幅不等寬的脈沖。為了防止橋臂貫穿，同一橋臂上下管不會同時導通。此時，因此Vcom任意時刻都不等于零[4]。

1.2 軸電蝕產生機理

共模電壓在電機內部寄生電容耦合作用，在軸承內外溝道之間感應出電壓[5]。電機中存在以下幾類耦合電容，Csb為中性點和端蓋之間的電容，Cs為中性點和定子鐵心之間的電容，Cg為定子鐵心和磁瓦之間的電容，Cm為中性點和磁瓦之間電容，Cmg為磁瓦本身電容，Cb為軸承等效電容，Cn為端蓋和逆變器之間的電容，Csn為轉軸和逆變器之間的電容。電機內部簡易共模等效電路圖如圖2所示[6]。

圖2 電機簡易共模等效電路圖

在大多數工況下，寄生電容的存在影響不大。而逆變器的載波頻率為幾kHz 到幾十kHz。逆變器開關管的快速通斷導致共模電壓的快速變化，電壓的快速變化產生了高頻電流，高頻電流流過各寄生電容，產生軸電流[7]。軸電流一般有三種：金屬接觸流通電流、容性軸電流、油膜擊穿放電電流。一般來說，金屬接觸流通電流和容性軸電流為幾mA，對引起軸電蝕的可能性較低。當軸電壓超過潤滑油膜擊穿電壓閾值時，油膜擊穿，產生放電現象，放電時伴隨很強的熱效應從而造成電腐蝕損傷軸承滾珠和溝道。

2 軸電蝕評價

2.1 軸電壓

當前家用空調行業內整機廠及電機廠商普遍使用軸電壓數值為判定依據，認為軸電壓越高，軸電蝕風險越大。但是實際使用過程中發現，單一的軸電壓數值評判對軸電蝕的風險貌似并不全面，例如陶瓷軸承軸電壓遠高于一般滾珠軸承電機，但是陶瓷軸承電機并未出現過軸電蝕問題。

本文基于塑封直流無刷電機進行研究，電機為8 極12 槽，輸出功率為13 W，前后端蓋軸承為608 軸承，軸承油脂基礎油運動粘度為26 mm2/s，逆變器載波頻率為18 kHz。建立無刷直流電機的耦合電容組合如圖3所示。

圖3 電機內部寄生電容組合

根據電機內部寄生電容組合模型建立電機驅動和共模等效電路圖如圖4所示。

圖4 電機簡易驅動電路和共模等效電路圖

通過共模等效電路可知，Cb為軸承等效電容，軸承內外圈之間電壓即為軸電壓，可以通過示波器進行方便監測。

2.2 軸電流和放電率

根據軸電流的類別可知：金屬接觸流通電流和容性軸電流為幾mA，對引起軸電蝕的可能性較低。因此，引發軸承電蝕風險根本原因在于當軸電壓超過潤滑油膜擊穿電壓閾值時，油膜擊穿，產生放電現象，此時放電電流才是引發軸電蝕的根本原因。放電時伴隨很強熱效應從而造成電腐蝕損傷軸承滾珠和溝道。

偶然的、短期的大電流雖然會引發很強的熱效應，但是危害是有限的。只有頻繁的、多次的能量累積產生的較強的熱效應才會導致軸承內外圈產生損傷。鑒于此，提出放電率一概念：一定時間內，每次捕捉到的擊穿放電次數與該段時間內可能發生的擊穿放電次數的比值，稱之為放電率。

由上兩式可得：

式中：

?T—監測時間（ms）；

n0—?T 時間內放電次數；

N0—?T 時間內理論下可能發生放電次數；

τ—放電率；

fc—載波頻率（kHz）。

3 測試方法

3.1 軸電壓測試方法

通過驅動器給無刷直流電機供電使電機達到恒定轉速為1 000 r/min，利用示波器（型號：YOKOGAWA DLM3034）和差分探頭（型號：YOKOGAWA 701927）對普通滾珠軸承和陶瓷軸承的不同13 W 樣品進行軸電壓測試，測試結果如表1所示。

由表1可知：陶瓷軸承軸電壓接近20 V，而普通的滾珠軸承軸電壓7 V，陶瓷軸承軸電壓遠高于滾珠軸承電機。但是實際使用中，陶瓷軸承電機未發生電蝕問題，而滾珠軸承電機軸電蝕現象則時有發生。

表1 陶瓷軸承和滾珠軸承樣品軸電壓對比

3.2 軸電流和放電率測試方法

由軸電流產生機理可知，當軸電壓超過潤滑油膜擊穿電壓閾值時，油脂擊穿，電流流過。為了測試流經軸承內部軸電流大小，針對電機樣品進行特殊處理：在軸承外圈和軸承室之間放入一層厚度適宜的絕緣膠布，隔斷軸承和端蓋，利用一根短導線作為新路徑替代流經軸承的電流路徑，見圖5所示。

圖5 軸電流路徑圖

通過驅動器給無刷直流電機供電使電機達到恒定轉速為1 000 r/min，利用示波器（型號：YOKOGAWA DLM3034）和差分探頭（型號：YOKOGAWA 701927）對普通滾珠軸承和陶瓷軸承的不同13 W 樣品進行軸電流和放電率測試，測試結果如表2所示。

由表2可知：陶瓷軸承軸電流遠低于滾珠軸承，同時監測放電率為0，普通滾珠軸承樣品的放電率達到87 %。由實驗結果可知，軸電流和放電率越高，放電越明顯，引發軸電蝕更加明顯。測試結果與實際情況可以準確契合，所以引入放電率一評價指標可以有效、正確評估對軸電蝕風險。

表2 陶瓷軸承和滾珠軸承軸電流和放電率對比

4 結論

本文分析了塑封直流無刷電機軸電蝕產生機理，并建立了共模等效電路圖模型，針對軸電壓檢測方法粗糙及評價效果不準確，提出軸電流和放電率的評價方法。一定時間內，每次捕捉到的擊穿放電次數與該段時間內可能發生的擊穿放電次數的比值，稱之為放電率。同時通過對電機軸承和端蓋進行特殊處理，可以進行監測軸電流和放電率，通過實驗結果發現：陶瓷軸承雖然軸電壓遠高于滾珠軸承電機，但是軸電流遠低于滾珠軸承電機，同時放電率幾乎為零，與事實相符。由此可知，軸電流和放電率可以直接有效的評判軸電蝕的風險。