軸電流防治措施在EMC領(lǐng)域的研究與分析

殷廣，朱晨迪，余旭東

大連理工大學(xué)寧波研究院，浙江寧波 315016

0 引言

現(xiàn)代的變速驅(qū)動(dòng)器擁有越來(lái)越高的電壓脈沖，這些高整流頻率的高壓脈沖會(huì)導(dǎo)致高電流脈沖通過(guò)軸承。反復(fù)的高電流流經(jīng)電機(jī)軸承會(huì)逐漸燒蝕軸承座圈，因此研究軸電壓(流)有著很重要的意義。電機(jī)在正弦波電源驅(qū)動(dòng)下運(yùn)行時(shí)，通過(guò)電機(jī)軸的交變磁鏈產(chǎn)生軸電壓。該磁鏈?zhǔn)怯赊D(zhuǎn)子和定子槽分離鐵芯片之間的連接部分，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)生的，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。在軸電壓波形中，存在許多復(fù)雜的諧波脈沖分量，這些諧波分量會(huì)傷害到電機(jī)軸上的絕緣油膜。若軸電壓超過(guò)軸承油層擊穿電壓，則在軸承上會(huì)形成很大的軸電流。該電流會(huì)燒蝕軸承部件，造成很大危害。最本質(zhì)避免軸電流的方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(kāi)軸承。本文在車(chē)身搭建不同的接地路徑，通過(guò)監(jiān)測(cè)EMC試驗(yàn)室中不同的輻射發(fā)射噪聲效果，來(lái)探討如何減少軸電流帶來(lái)的影響。此外,使用對(duì)稱的電機(jī)電纜或變頻輸出濾波器可以減少軸電流的大小，合適的絕緣電機(jī)也可以阻斷軸電流的路徑。

1 軸電流的危害及預(yù)防措施

在電機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，轉(zhuǎn)軸兩端之間或者軸與軸承之間產(chǎn)生的電位差叫作軸電壓。若軸兩端通過(guò)電機(jī)機(jī)座等構(gòu)成回路，則會(huì)形成軸電流。一般工頻電機(jī)軸電壓產(chǎn)生的原因是磁通脈動(dòng)。若設(shè)計(jì)運(yùn)行均正常的電機(jī)，轉(zhuǎn)軸兩端電位差很小，其危害較小。

PMSM電機(jī)中的軸電壓主要是由于電源三相輸出電壓的矢量和不為零的零序分量產(chǎn)生。變頻器PWM脈寬調(diào)制導(dǎo)致調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中高頻諧波成分增多。這些諧波分量在轉(zhuǎn)軸、定子繞組和電纜等部分產(chǎn)生電磁感應(yīng)，通過(guò)電機(jī)內(nèi)分布電容的電壓耦合作用構(gòu)成系統(tǒng)共?；芈?。此時(shí)電機(jī)中會(huì)產(chǎn)生阻尼力矩，增加電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中的熱損失，造成電動(dòng)機(jī)溫升增高，噪聲增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒壞電動(dòng)機(jī)。

軸電流是軸電壓通過(guò)電機(jī)軸、軸承、定子基座或輔助裝置構(gòu)成閉合回路產(chǎn)生的。在正常情況下，電動(dòng)機(jī)的軸電壓較低，軸承內(nèi)的潤(rùn)滑油膜能起到絕緣作用，不會(huì)產(chǎn)生軸電流。但當(dāng)軸電壓較高或電機(jī)起步瞬間油膜未穩(wěn)定形成時(shí)，軸電流能擊穿軸與軸承之間的油膜，產(chǎn)生放電現(xiàn)象。放電時(shí)產(chǎn)生的高溫可以融化軸承內(nèi)圈、外圈或滾珠上的許多微小區(qū)域，并形成凹槽。這些危害會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀軸承。因此采取必要的防范措施，對(duì)提高電機(jī)的使用壽命能起到很好的幫助作用。

軸電流是伴隨裝備的設(shè)計(jì)、制造、安裝以及運(yùn)行而產(chǎn)生的，對(duì)于用戶而言，一般無(wú)法完全避免。如果要減少軸電流對(duì)軸承的危害，就要破壞如圖1所示的電流回路，主要有以下兩種方案：

(1)采用陶瓷球軸承，軸承內(nèi)外圈表面鍍層和在端蓋處使用絕緣蓋板，來(lái)阻斷軸電流回路。

(2)采取安裝轉(zhuǎn)軸接地電刷、毛刷式接地環(huán)、雙油封導(dǎo)電環(huán)、導(dǎo)電密封圈軸承以及彈簧頂針等有效措施，使得端蓋、殼體與軸形成等電勢(shì)面。

圖1 軸電流在電機(jī)中的回路示意

2 試驗(yàn)流程

以沃爾沃某四驅(qū)型試驗(yàn)車(chē)作為研究對(duì)象，在電磁兼容性的寬帶測(cè)試時(shí)，表現(xiàn)為整車(chē)輻射發(fā)射的噪聲過(guò)大。在對(duì)比IEM驅(qū)動(dòng)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式、IEM-standby&Tq0Nm及電池包不同電量下的測(cè)試結(jié)果后，判斷IEM產(chǎn)生的軸電流為干擾源頭。

為了研究軸電流及整車(chē)輻射發(fā)射量過(guò)大問(wèn)題，試驗(yàn)中會(huì)在車(chē)身不同結(jié)構(gòu)處采取多種整改措施，例如， 在各結(jié)構(gòu)處采用磁環(huán)、搭接不同的接地點(diǎn)、PCB-Filter以及軸接地等。通過(guò)在EMC試驗(yàn)室中監(jiān)測(cè)整車(chē)的輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果來(lái)確定哪些措施可以對(duì)軸電流起到有效的抑制效果。

EMC國(guó)標(biāo)34660測(cè)試的流程為：①采用所有有效措施，使得整車(chē)輻射發(fā)射值低于國(guó)標(biāo)要求。②在上一步措施中，去除軸接地措施，用來(lái)驗(yàn)證此項(xiàng)措施的影響。③在上一步措施中，去除軸磁環(huán)，用來(lái)驗(yàn)證此項(xiàng)措施的影響。④在上一步措施中，去除電機(jī)到車(chē)身和IEM到車(chē)身的接地線，用來(lái)驗(yàn)證此項(xiàng)措施的影響。⑤在上一步措施中，去除PCB-Filter，用來(lái)驗(yàn)證此項(xiàng)措施的影響。⑥在上一步措施中，電機(jī)左右軸接地，半軸加磁環(huán)，用來(lái)驗(yàn)證此項(xiàng)措施的影響。⑦在上一步措施中，去除半軸磁環(huán)，用來(lái)驗(yàn)證此項(xiàng)措施的影響。⑧在上一步措施中，僅左軸接地，用來(lái)驗(yàn)證此項(xiàng)措施的影響。⑨在上一步措施中，加半軸磁環(huán)，用來(lái)驗(yàn)證此項(xiàng)措施的影響。

具體的試驗(yàn)流程及總體效果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)流程及總體效果

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

按照上述試驗(yàn)流程，試驗(yàn)車(chē)會(huì)在EMC試驗(yàn)室中進(jìn)行GB34660的整車(chē)輻射發(fā)射試驗(yàn)，輻射發(fā)射的采集點(diǎn)為車(chē)頭處。測(cè)試時(shí)，試驗(yàn)車(chē)將在試驗(yàn)室輪轂上運(yùn)行，重點(diǎn)測(cè)試工況為車(chē)速40 km/h。試驗(yàn)車(chē)的運(yùn)行模式為IEM后驅(qū)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，IGM前驅(qū)電機(jī)進(jìn)入Standby模式。具體的試驗(yàn)結(jié)果如圖2至圖10所示。

圖2 所有有效措施均采取的輻射發(fā)射結(jié)果

圖3 去除軸接地措施輻射發(fā)射結(jié)果

圖4 去除軸接地和軸磁環(huán)的輻射發(fā)射結(jié)果

圖5 去除電機(jī)到車(chē)身和IEM到車(chē)身接地線的輻射發(fā)射結(jié)果

圖6 去除PCB-Filter的輻射發(fā)射結(jié)果

圖7 增加左右軸接地和半軸磁環(huán)的輻射發(fā)射結(jié)果

圖8 增加左右軸接地去除半軸磁環(huán)輻射發(fā)射結(jié)果

圖9 僅左軸接地且去除半軸磁環(huán)的輻射發(fā)射結(jié)果

圖10 僅左軸接地增加半軸磁環(huán)的輻射發(fā)射結(jié)果

對(duì)比圖2至圖10的EMC輻射發(fā)射結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：①由圖2可以看出，只有對(duì)電機(jī)軸進(jìn)行軸接地，軸上套磁環(huán)以及增加PCB-Filter濾波板這些方式的處理，才能大大降低軸電流對(duì)電機(jī)的影響，使得EMC整車(chē)輻射發(fā)射的測(cè)試結(jié)果在全頻段(30～1 000 MHz)能夠滿足國(guó)標(biāo)的限值要求，此時(shí)噪聲裕量有9.89 dB。②由圖3與圖4可以看出，在電機(jī)軸上搭建接地線與在軸上套磁環(huán)這兩種措施對(duì)軸電流的輻射發(fā)射噪聲抑制有著較大的貢獻(xiàn)。其中搭接軸接地線的貢獻(xiàn)在于能在高頻率段(200～1 000 MHz)抑制軸電流的噪聲，該措施能提高大約2.57 dB裕量。若再去掉套在電機(jī)軸上的磁環(huán)，可以看到軸電流的噪聲測(cè)試結(jié)果會(huì)嚴(yán)重超過(guò)國(guó)標(biāo)的限值要求(超標(biāo)約4.6 dB)。③對(duì)比圖5和圖6的測(cè)試結(jié)果可以看出，使用PCB-Filter濾波板在電機(jī)內(nèi)部對(duì)軸電流起到了更好的濾波作用，尤其是在300～1 000 MHz的頻率段，該措施可以大大降低在該頻率段由電機(jī)軸電流產(chǎn)生的輻射發(fā)射噪聲。若無(wú)濾波板，試驗(yàn)車(chē)的輻射發(fā)射噪聲將超出國(guó)標(biāo)限值5 dB。④對(duì)比圖7與圖8以及對(duì)比圖9與圖10可以看出，在電機(jī)軸加上磁環(huán)這項(xiàng)措施可以微量抑制軸電流在30～100 MHz頻段內(nèi)帶來(lái)的噪聲影響。該措施能提升1.9～2.5 dB的裕量，且具有很強(qiáng)的應(yīng)用可行性。⑤對(duì)比圖7與圖10以及圖8與圖9可以看出,在電機(jī)左右軸均加上磁環(huán)的措施比僅在左半軸加磁環(huán)的措施更能抑制軸電流的輻射發(fā)射噪聲影響。該措施能提升0.5～1.5 dB的裕量，且具有很強(qiáng)的應(yīng)用可行性。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)因PMSM電機(jī)軸電流帶來(lái)的整車(chē)輻射發(fā)射問(wèn)題，提出了抑制軸電流的可行性防治技術(shù)并加以實(shí)施。試驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)軸接地和在電機(jī)軸上增加磁環(huán)能夠在全頻段上有效抑制軸電流產(chǎn)生，此外還發(fā)現(xiàn)PCB-Filter濾波板能夠在高頻率段對(duì)軸電流產(chǎn)生很好的抑制效果。相關(guān)研究具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值，能夠?yàn)檎?chē)開(kāi)發(fā)企業(yè)處理類似問(wèn)題提供可供借鑒的方法和手段。