轴电流的防治安全技术措施研究与分析

时间：2024-04-24

周正弟

金顺重机（江苏）有限公司，江苏镇江 212132

1 高频轴电流形成分析

轴电压是指在电机运行时,电机两轴承端或电机转轴与轴承间所产生的电压。在正常情况下,轴电压较低时,电机转轴与轴承间存在的润滑油膜能起到较好的绝缘作用。但是,如果由于某些原因使得轴电压升高到一定数值时,就会击穿油膜放电,构成轴电流产生的回路。轴电流不但会破坏油膜的稳定性,使润滑冷却的油质逐渐劣化,同时,由于轴电流从轴承和转轴的金属接触点通过,金属接触点很小,电流密度很大, 这个电流是一个循环的高频轴电流, 轴电流局部放电能量释放产生的高温,使轴承局部烧熔。被烧熔的轴承合金在碾压力的作用下飞溅,将在轴承内表面烧出小凹坑, 形成凹槽，显著的特征是在电机轴承内外圈、滚珠上产生“搓板”式密密的凹槽条纹。从而产生噪声、振动，若不能及时发现处理将导致轴承失效，对生产带来极大影响。最终,轴承会因机械磨损加速而破损,造成事故被迫停机。

轴电压的产生与电机的尺寸、结构也有很大关系，通常马达功率越大，越会产生较大的轴电压。

这种电压通常由四种途径产生。变频器的高速斩波形成的共模电压、马达电缆、电机结构和马达周围的磁场。

1.1 变频器产生的共模电压

通常情况下，一个典型的三相正弦电源室对称平衡的。三相的矢量和永远为0。因此，一般中间电压为0。然而，PWM转换的三相电源与上述不同，该三相电压是由直流电压转换而来。尽管输出电压的主频率是对称平衡的，这是不可能使三个输出电压的总和瞬间等于0结果中心点的电压不为0。这个电压被定义为共模电压源。在任何负载的零点处都是可测量的，例如，马达星型接法的中心点对地。

在现代交流驱动系统中[1]，典型的三相PWM电源的中心点电压明显不为0，它的存在可以定义为共模电压源。共模电压流过定子绕组，于是在马达内部产生一个不平衡的磁场，当转子在这个不平衡的磁场中旋转时，转子鼠笼的两端就产生一个电压，轴两端电压差就是整个轴电压的一部分。

1.2 电缆离散电容产生的共模电压

任何时间，两个导体元件被一个绝缘体隔离时就会产生电容。比如，电缆相线和接地线之间因为被PVC材料隔离，就会产生电容，比如，电机旋转的线圈和电机座之间有搪瓷涂层和沟槽做隔离，因此两者之间存在电容。相对对应的三相电，在流经电缆和电机绕组这个不平衡的电容时，由于电容的存在，使三相电压的相位都有不同的相位差，也就是三相电压流经绕组时，已经产生了不平衡的相电压，于是定子绕组产生了不平衡的磁场，高速旋转的转子，在转子两端也就形成电压差，这个电压差也是轴电压的一部分。

1.3 电机内部不平衡磁场产生的电压

电机因扇形冲片、硅钢片叠装及铁芯槽、通风孔等存在不平衡磁阻，当电流沿线圈泄漏到定子时，进入定子线圈的电流的高频含量大于离开的电流[2]。

另外电机内部的电容非常的小，小电容意味着低频高阻抗，从而抑制离散电流。然而，快速增长的现代电源产生的脉冲频率很高，甚至有小电容在电机电流提供低阻抗的路径，产生离散电流，使三相电流产生极其微弱偏差，同样会使绕组产生不均匀磁场，高速旋转的转子，在转子两端也就形成电压差，这个电压差也是轴电压的一部分。

这个泄漏电流会产生高频磁场并在定子铁片内循环，在轴承两端形成一个轴向电压。如果电压变得足够大，会形成一个高频循环电流，在电机的内部，流经电机轴和轴承。在这种情况下，电动机可以被认为是变压器，其中在定子框架中流动的共模电流作为初级，并将循环电流引入转子电路或次级。这个轴电流被认为是危害最大的，是峰值电流的3～20倍，这取决于电机的转速，和交流驱动器的du/dt滤波以及变频器内整流阶段的直流电压级。

定子线圈和转子之间出现的电容有效地将定子线圈和转子铁片，通过轴和轴承内圈，构成一个回路。逆变器的共模电流的快速变化产生的电流会在定子绕组和转子之间的回路进入轴承。轴电压大小随各马达情况的不同而不同，一般说来马达容量越大，其气隙磁通和结构的不对称性也越大。而磁场中谐波分量和铁芯饱和程度以及定子的不平整度也越大，轴电压峰值就越高，轴电压的波形具有复杂的谐波分量，当轴电压达到一定值后，如不采取适当措施，油膜会被击穿而产生轴电流。

因此，在电机设计时,避免产生磁路不对称和避免产生轴向磁通。

1.4 静电感应

电机周围有较多的高压设备，存在强电场，马达转子在高速旋转时，相当于在切割磁力线，于是在转子两端也就是轴的两端产生电压差，磁场浓度越大马达或越大，相对来说，电压差就大一些。通常由高压静电磁场产生的轴电压是很小的。

2 预防轴电流措施研究

2.1 消除变频器谐波产生的轴电流

IGBT传动单元会对电机端子产生比中间直流回路电压高很多的尖峰输出电压。这个尖峰电压会对电机和电机电缆绝缘带来额外的压力，也会缩短电机的寿命。前文已经分析过，逆变时三相电压不会完全对称，不对称的高尖峰电压，在定子绕组中会产生不均匀的磁场。

du/dt滤波器抑制了逆变器输出电压尖峰和快速电压改变，同时，du/dt滤波器还降低了电机电缆的容性漏电流、高频辐射、高频损耗和电机的轴承电流。

2.2 消除电缆产生的共模电压

对于电气安装，意味着一个合适的电缆类型是减少轴电流的重要角色。导体与导体之间就是一个电容，如果三相导体不均匀排布，容漏电流不一样，定子绕组产生的磁场就不会均匀。使用匀称的多芯电缆，电缆中的接地连接（保护接地，PE）必须匀称，以避免基频中的轴电流。通过所有相电缆周围的一个导体，或者电缆中包含均匀分布的三相电缆和三相接地导体，来完成一个均匀的PE导体。

因为共模电流回流到变频器是通过一条短的，低阻抗的路径。最好最容易的方法是使用屏蔽电缆。屏蔽层必须是连续的且导电良好的金属，即铜或者铝，制作时，需将电缆外部的绝缘层剥掉，屏蔽层尽可能做成短的辫子状360度包住电缆，然后与PE端子连接。

2.3 使用绝缘轴承

轴电流是轴电压通过电机轴、轴承、定子机座或辅助装置构成闭合回路产生，因正常情况下轴电压较低，轴承内的润滑油膜能起到绝缘作用而扼制轴电流产生；但当轴电压较高，或电机起动瞬间油膜未稳定形成时，轴电压将使润滑油膜放电击穿形成通路产生轴电流。为了阻断轴电流通路，电机至少有一端要用电绝缘轴承,如果只安装一只绝缘轴承的话，通常安装在非传动侧。

内圈或外圈加涂层绝缘轴承采用特种喷涂工艺，在轴承的外表面喷镀优质覆膜，覆膜与基体结合力强，绝缘性能好，可避免感应电流对轴承的电蚀作用，防止电流对润滑脂和滚动体、滚道造成的损坏，提高轴承的使用寿命。通常是在外圈或内圈表面有涂一层100μm厚的涂层，可承受最高1000V直流电压。