車用驅動電機軸電壓產生傳導和抑制方法研究

董金鑫

摘 要：【目的】針對車用驅動電機長時間運轉后，由于軸電壓導致的電機軸承電蝕問題，分析驅動電機軸電壓的產生機理以及提出相應的抑制方法，以提高車用驅動電機設計的可靠性。【方法】通過使用Matlab建立永磁同步電機的控制模型，建立軸承油膜擊穿的模型，結合電磁仿真軟件計算電機的寄生電容，分析軸電壓與控制器母線電壓、開關頻率、共模電壓、扭矩等的關系。【結果】驗證了軸電壓的頻率和控制器的開關頻率相同，軸電壓和控制器的共模電壓在波形上存在鏡像關系，幅值約是共模電壓幅值的3%，軸電壓與電機扭矩變化的關聯度較低。【結論】使用該模型可以方便地研究電機各工況下的軸電壓情況，依據提出的抑制方法，可在電驅動系統開發初期，采取相應措施降低軸電壓及相關危害。

關鍵詞：軸承電蝕；永磁同步電機；軸電壓；共模電壓

中圖分類號：U469.72? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2024）06-0038-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.06.008

Research on Methods of the Generation Conduction and Suppression of Shaft Voltage of Vehicle Drive Motor

DONG Jinxin

（Tongji University， Shanghai 200092， China）

Abstract： [Purposes] In view of the electric corrosion problem of motor bearings due to shaft voltage after long-term operation of vehicle drive motors， analyze the generation mechanism of drive motor shaft voltage and this paper analyzes corresponding suppression methods to improve the reliability of vehicle drive motor design. [Methods] By using Matlab to establish the control model of the PMSM motor and the bearing oil film breakdown model， and combined with the electromagnetic simulation software to calculate the parasitic capacitance of the motor， this paper analyzes therelationship between shaft voltage and controller bus voltage， switching frequency， common mode voltage， torque， etc. [Findings] It is verified that the frequency of the shaft voltage is the same as the switching frequency of the controller. There is a mirror image relationship between the shaft voltage and the common mode voltage of the controller in the waveform， and the amplitude is about 3% of the common mode voltage amplitude， the correlation between the shaft voltage and the motor torque is low. [Conclusions] This model can be used to conveniently study the shaft voltage under various working conditions of the motor. According to the proposed suppression method， measures can be taken to reduce the shaft voltage in the early stage of the development of the electric drive system.

Keywords： bearing electrical corrosion; permanent magnet synchronous motor; shaft voltage; common mode voltage

0 引言

目前，汽車領域正在如火如荼地進行“新四化”建設，即電動化、網聯化、智能化、共享化，其中電動化首當其沖。電動化主要是指驅動系統由傳統的內燃機轉為以電機作為動力源。近些年，隨著越來越多的電動汽車進入市場，以及電動汽車的行駛里程累積到一定程度，在售后市場發現電動汽車的驅動電機存在因為電機軸承的電蝕而引起的異常振動和噪聲的問題，如圖1所示。通過對電機軸承進行拆解，發現軸承內外圈的滾道上存在搓衣板狀紋路，如圖2所示。進一步分析發現，該紋路是由于軸承內部的潤滑油膜存在瞬時擊穿放電現象，造成滾道上出現微觀凹坑（專業術語稱為電蝕），電機長時間運轉后，凹坑位置軸承材料發生疲勞剝落，進而引起軸承振動從而形成的。軸承內的潤滑油膜擊穿放電是由于軸承內外圈之間有電壓存在，簡稱軸電壓。因此，建立模型來研究軸電壓的產生和傳導機理，以及研究相應的抑制方法和改善措施，對提高電動汽車的可靠性具有現實意義。

1 軸電壓的產生和傳導機理

電動汽車三合一驅動系統如圖3所示。主要由逆變器、驅動電機和齒輪箱等組成。逆變器的功能是將電池的直流電逆變成三相交流電從而提供給電機使用，電機在三相交流電的輸入下，輸出電磁轉矩，齒輪箱將轉矩以某一速比放大，進而驅動整車。

傳統工業中三相正弦電源供電的電機，由于UVW三相電壓相位相差120°，且三相幅值對稱，電機定子繞組的中性點對電機殼體的電壓始終為0 V。而整車中的驅動電機由逆變器供電，車用電機電流逆變原理如圖4所示，電機多采用SVPWM空間向量脈寬調制方法，采用一系列不同寬度的脈沖電壓等效代替正弦電壓，這樣三相電壓之和就不再為零（即三相不對稱）［1］，電機定子繞組的中性點對電子殼體的電壓Vn始終在高頻跳變，這種電壓一般稱為共模電壓，是軸電壓和軸電流的主要激勵源［2］。

電機主要由定子和轉子組成。電機定子一般由定子鐵芯、繞組、絕緣紙等組成，定子鐵芯由硅鋼片疊壓而成。繞組主要由漆包線繞制而成，絕緣紙使繞組和鐵芯之間絕緣。電機轉子主要由鐵芯、永磁體、電機轉軸及軸承組成，定轉子之間通過氣隙隔離。各個部件之間由于絕緣，存在寄生電容［3］，如圖5所示。定子鐵芯和電機機殼連接在一起，從電氣上認為是一個導體。Cwf是電機定子繞組和電機機殼之間的寄生電容；Cwr是電機定子繞組和電機轉子之間的寄生電容；Crf是電機轉子和電機機殼之間的寄生電容。電機軸承內有潤滑油，軸承滾動體和內外圈滾道之間被潤滑油膜隔離，當軸承在靜態或者低轉速時，載荷區的油膜厚度大約只有幾納米。由于量子力學的隧道效應，當有電壓加載到兩端時，很容易導通，此時軸承表現為電阻狀態；當轉速提高時，由于動壓效應，潤滑油膜的厚度為0.1～2 nm，此時軸承表現為電容狀態［3］，記作Cb。電機內部的寄生電容構成了高頻共模電壓的低阻抗耦合通路［4］。

共模電壓和各寄生電容組成的回路可表示為圖6所示的拓撲結構，共模電壓Vcom是激勵源，各寄生電容組成低阻抗的回路。根據該模型，當不考慮齒輪箱的軸承時，電機軸承兩端電壓Vb和共模電壓Vcom之間的關系見式（1）。

[VbVcom=CwrCwr+Crf+Cb1+ Cb2] （1）

2 建模分析

2.1 電機控制、共模電壓及軸電壓的建模

利用Matlab/Simulink軟件建立永磁同步電機的閉環控制模型，調制方法采用SVPWM，并且從模型中提取出共模電壓Vcom，如圖7所示。該模型以電機轉速和扭矩作為輸入，以進行不同運行工況下的仿真模擬。

以Vcom共模電壓作為激勵源，電容Cwf、Cwr、Crf及軸承Cb構成電氣通路，組成完整的電氣回路，使用示波器記錄共模電壓、軸電壓及軸電流。

軸承油膜的擊穿電壓存在一個閾值，當軸電壓低于該閾值時，軸承表現為電容態；當軸承壓高于該閾值時，軸承油膜被擊穿，瞬時表現為電阻態；隨著放電結束，軸承又恢復為電容態［5］。按照這個思路，建立如圖8所示的回路模型。在該模型中，增加邏輯控制模塊，當軸承兩端電壓大于等于閾值時，邏輯開關輸出1，電阻ohm1對應的開關閉合，而Cb21對應的開關打開，此時軸承處于電阻態；當軸承兩端電壓低于閾值時，邏輯開關輸出0，此時電阻ohm1對應的開關打開，而Cb21對應的開關閉合，此時軸承處于電容態。

2.2 寄生電容的計算

電機寄生電容可以通過解析計算法或有限元分析方法來獲得，有限元分析方法可以彌補解析計算法中為了降低計算復雜程度所做的一些理想假設，使計算結果更接近實際。本研究使用JMAG電磁場分析軟件，仿真計算原理主要依據電容定義，當一個電壓V加載到兩個導體上時，在兩個導體相互靠近的表面就會有電荷聚集，假定為Q，那么這兩個物體的電容就可以表示為C=Q/V，使用JMAG軟件建立1/8電機模型，如圖9所示。

軸承電容的計算可以采用同樣的方法，在JMAG軟件中建立軸承模型，如圖10所示。設置材料屬性后，在軸承內外圈之間加載電壓，計算獲得軸承的電容值。

2.3 仿真結果

通過仿真發現共模電壓的波形是階梯波，隨著6個IGBT開關時間的長短變化，共模電壓波形呈現四步階梯、五步階梯或六步階梯波形，軸電壓波形與共模電壓波形類似，存在鏡像關系。軸電壓的波形隨著電機轉速的提高，不再呈現絕對的階梯狀波形，而是呈現帶有尖刺的方波形狀。

本研究采用的共模電壓、軸電壓、軸電流的頻率與控制器的開關頻率相同。軸電壓幅值約是共模電壓幅值的3%，軸電壓的幅值隨著控制器母線電壓的升高而增加，與電機扭矩的關聯度較低。

此外，當軸承是電容狀態、軸承油膜沒有被擊穿時，軸承內部存在充放電電流，且為毫安級別，一般認為該充放電電流對軸承傷害較小。但當軸電壓超過油膜擊穿閾值時，軸承內部存在尖峰狀瞬時的擊穿放電電流（也稱作EDM電流），該電流會造成軸承滾道表面不可逆的損壞。

3 緩解措施

3.1 改變源頭共模電壓

方法一是從源頭控制算法上，通過優化算法來降低共模電壓。目前，車用驅動電機控制中，經常使用空間向量脈寬調制（SVPWM）算法，SVPWM主要分為三個步驟：第一步，確認目標電壓指令所在的扇區；第二步，選擇相應的電壓基矢量，并計算各基矢量的作用時間；第三步，按照一定的順序，將基矢量的作用時間轉化為三相橋臂的占空比控制信號。不同開關狀態對應的共模電壓幅值不同，零矢量下會產生幅值為Vdc/2的共模電壓，其他電壓矢量下產生的幅值為Vdc/6，選擇產生共模電壓幅值小的開關狀態來參與調制，便可以實現共模電壓的抑制［6］。例如有研究者提出的等效零矢量脈寬調制方法（active zero state pulse width modulation）［7］，該方法使用目標電壓矢量所在扇區的兩個電壓基矢量，以及相鄰扇區兩個相反的非零電壓矢量來等效代替零矢量參與調制，如圖11所示，這樣可以減小共模電壓的幅值至Vdc/6，軸電壓也會隨之降低。另外針對控制器的開關頻率，也可以做一些優化。目前使用的IGBT功率器件的開關頻率最高約為10 kHz，所以在控制策略上，可以考慮在低轉速區域使用較小的開關頻率，而在高轉速區域使用正常的開關頻率。具體的轉速區間、扭矩區間的選擇，要根據實際的電機應用做相應的仿真和測試而確定。

方法二是從逆變器到電機的三相通路方面，使用濾波器或共模磁環。主要目的是用來降低控制器的電磁輻射，解決EMC的問題，但是在一定程度上也能對高頻的共模電壓產生抑制作用。

3.2 改變軸承的分壓比例

軸承兩端的分壓比例主要與Cwr即定子繞組和轉子寄生電容，Crf轉子和定子機殼寄生電容，以及軸承本身的電容有關。主要方案是為轉子和電機機殼增加第二個低阻抗的并聯通路，如圖12所示。這樣，軸承寄生電容就被低阻抗的并聯通路造成短路，交變的寄生電流優先從該通路流向機殼，而電荷也就不會在軸承的潤滑油膜兩端累積，從而可以較少EDM電流的產生。

在實際工程中應用的導電毛刷是AGEIS公司的導電刷產品，如圖13所示。這種方案的主要優點是結構簡單，可以與現有的電機方案進行集成。同時，導電毛刷耐磨損性能較好，壽命周期較長。對于目前新能源汽車中越來越多使用的油冷電機，直接集成這個導電刷到電機內部，會造成導電刷毛上粘上潤滑油，這樣會在一定程度上破壞導電刷毛的導電作用，因此必須為其設計獨立的空間，將其與潤滑油隔離開來。

3.3 改變軸承特性

本研究使用外圈或內圈涂了絕緣涂層的軸承，如圖14所示，這種絕緣涂層一般是氧化鋁或其他有機涂層，涂層厚度一般在100 um左右。這種涂層一般可以承受直流電壓，對于交流電來說，這種涂層相當于一種電介質，會形成類似等效電容。這個等效電容與軸承內部的潤滑油膜電容串聯，在理論上可以分擔一部分的軸承電壓，并在一定程度降低潤滑油膜兩側的電壓，但不能完全消除。因此，這種帶有絕緣涂層的軸承可以降低EDM電流的發生頻率，對軸承滾道和滾球起到一定的保護作用。

使用陶瓷滾動體的軸承能夠有效減少EDM電流，軸承的滾動體是陶瓷材料，一般是Si3N4，既能夠保證軸承運轉所需要的機械強度，同時還是絕緣體，能夠使內外圈之間絕緣，如圖15所示，軸承內外圈被滾動體隔離。軸承兩端的電壓不足以建立起來能夠擊穿潤滑油膜，同時擊穿中間空氣的電場，因此，使用陶瓷滾動體軸承，可以有效杜絕軸承內部的EDM電流。

此外，軸承除了可以做絕緣處理，也可以做導通處理。軸承內部發生EDM放電的主要原因是潤滑油膜的不導電特性，進而形成了等效電容器，在潤滑油膜兩端建立起電壓，瞬時高強度的放電會損壞滾道和滾動體表面材料。對于使用潤滑脂的軸承，采取的對策是使用導電潤滑脂，導電潤滑脂內部添加有導電顆粒，按照種類不同，主要有銀粉、鎳粉、銅粉及導電炭黑等［8］，其中導電炭黑主要由碳元素組成，與石墨原子有類似的排列方式，有高導電性和低電阻性的特點［9］。裝有導電潤滑脂的軸承在靜態下能夠有穩定的導電特性，但是軸承是一個動態運轉的零部件，在高速運轉過程中，內部油脂的分布以及不同位置的厚度均在不斷變化，所以接觸電阻并不是一個穩定值。另外不斷放電會造成潤滑脂的性能降低，長時間會影響油脂本身的潤滑效果。

4 結語

本研究針對車用驅動電機長時間運轉后，由于軸電壓產生的電機軸承電蝕問題，通過分析驅動電機軸電壓的產生和傳導機理，建立了PMSM的電機的控制模型，以及由電機寄生電容組成的回路模型，并結合電磁仿真軟件計算電機和軸承的電容，分析了軸電壓與控制器母線電壓、開關頻率、共模電壓、扭矩等的關聯關系，最后提出相應的抑制方法來降低軸電壓的大小和危害，該方案有助于提高車用驅動電機設計的可靠性。

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