科学瞎想系列之七十六 轴电流是个神马鬼（2）

标准答案

原创： 龙行天下 龙行天下CSIEM  5月8日

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      上期老师讲了轴电流的分类及产生的原因，本期接着给宝宝们讲一讲轴电流的抑制。上一期讲到，引起轴电流的原因是轴电压，根据轴电流流通的路径不同，可分为两大类，一是差模轴电流；二是共模轴电流。所谓差模轴电流就是流经轴～轴承～机壳～另一端轴承～轴的电流；所谓共模轴电流就是流经轴～两端轴承～机壳～接地点的轴电流。关于轴电压和轴电流的限值，目前没有一个明确的标准（严格说是没有一个科学的评判标准），从目前查到的有关轴电流的标准规范看，主要有两条：一是IEC有关标准（我国标准等同采用了IEC标准）规定了电机在空载下测得的轴电压不得超过0.5伏，如果超过必须采取抑制轴电流的措施（无论电机大小、电压高低）；二是德国劳氏船级社（GL）规范规定了轴电流在轴承中的电流密度不得超过0.1A/mm2，否则需要采取抑制轴电流措施。老师认为这些规定都比较笼统，另外有关轴电压、轴电流的测试标准也不完善，因此有关轴电压和轴电流的限值及测量方法尚需进行大量研究和规范。本瞎想不讨论标准，只想给宝宝们介绍轴电流的抑制措施。
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      从大的思路讲，抑制轴电流有两条途径：一是从轴电流的激励源入手，减小引起轴电流的各种轴电压；二是从各种轴电流流经路径入手，设法改变轴电流流经回路的阻抗，阻断轴电流路径，或使轴电流旁路以减小轴电流流经轴承。对于第一条途径，提高加工精度；合理设计拼片结构；合理设计铁心、机壳和绕组结构，尽量减小不对称；在控制策略上采取措施，尽量减小共模电压和du/dt等是必须的，但无论如何也不可能保证磁路和电路完全对称，无论如何也不可能使du/dt=0，因此这些措施说了跟没说一样！老师要说的是除了上述措施外，采取的其它有效抑制轴电流的方法，重点是第二条途径。常见的具体措施如下：
      1 电源端加滤波
设计合理的滤波器，减小变频电源共模电压，是基于第一条途径，从源头上抑轴电流的方法。在工矿企业中，应用较为广泛的滤波器主要是有源滤波器和无源滤波器。有源滤波器的滤波效果比较好,但是控制电路复杂，成本也较高，在实际应用中受到了一定限制。无源滤波器，不仅成本低廉，而且如果能合理地设置各元件参数，就可以较好地消除PWM逆变器产生的高频谐波。
      作为一个例子，接下来就给宝宝们介绍一种可降低变频供电产生的共模电压，进而抑制轴电压和轴电流的无源滤波器。

        图1 典型无源低通滤波器
      传统RLC低通滤波器如图1所示，这种滤波器只是降低逆变器输出线电压的du/dt，这属于差模du/dt的降低，能有效抑制电压反射现象，减小PWM调制产生的谐波，使电机端部的线电压更接近正弦波，以减轻电机的绝缘压力。但是这种传统滤波器不能有效地消除共模电压，共模du/dt依然很大。为了弥补上述滤波器不能减小共模电压的不足，可采用一种新的无源滤波器如图2所示，与传统的RLC低通滤波器不同的是，新型滤波器在RLC网络的基础上增加了共模变压器( Common mode transformer,CMT)，将RLC网络的星形中点流出的共模电流引入共模变压器的原边，逆变器输出三相电流作为共模变压器的副边。通过合理的设计滤波器各器件的参数，使原边的共模电流在CMT铁心中产生的磁场在CMT副边（变频器三相输出线）感应出与共模电压相位相反的电势，以抵消变频器的共模电压，RC网络有两个功能：首先构成了RLC滤波器，可以有效地减少差模du/dt；其次，为共模变压器的原边绕组提供电流通路。

     图2 可削弱共模电压的新型低通滤波器
      关于如何科学合理地设计各器件的参数，老师在这里就不细讲了，要学会这些你至少得跟老师再读个硕士。我们这里只说结果，采用上述滤波器后，对共模电压和轴电压的抑制效果见图3、图4和表1、表2。

       图3 无滤波器时共模电压

          图4 有滤波器时共模电压

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表1 有无滤波器共模电压比较


表2  有无滤波器轴电压和轴电流比较

      对比安装低通滤波器前后的共模电压、轴电压、轴轴电流,，可以很明显地看出，共模电压的峰值从53V降到13V，有效值从41V锐减至10V，轴电压的峰值从2.IV下降到0.6V左右，轴电流下降到原来的24%左右（约为5.3mA），对轴电流的抑制效果显著，大大降低了轴承的电蚀的可能。

安装滤波器之后，电机端的线电压不再是PWM波形，而是更接近更接近正弦，这对降低电机的噪音、损耗及提高绝缘寿命十分有利。当然滤波器的存在使逆变器输出线电压的峰值和有效值也都有一定程度的下降，这也是滤波器的不足之处。
      需要指出的是，上述数据只是一个具体实例，并不代表所有电机安装这种滤波器后都是这个结果，也不代表这是最佳的结果，工程中要根据具体产品具体设计，以达到满意的效果。
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      2 单端轴承绝缘
      单端轴承绝缘是指电机一端轴承采取绝缘措施，来抑制轴电流。具体方法可以是采用绝缘轴承，也可以是在轴承座或端盖轴承室上设置绝缘结构实现。绝缘轴承又分两种：一种是在轴承的内圈或外圈设有绝缘层；另一种是采用陶瓷绝缘滚动体来实现，目前采用绝缘轴承的较少见，原因一是绝缘轴承价格普遍较贵，特别是滚动体为陶瓷的绝缘轴承，更是贵得离谱；二是内外圈绝缘层的绝缘效果不太好，容易因装卸轴承损伤绝缘，另外由于这种绝缘层很薄，电容较大，不利于高频轴电流的阻隔。因此常见的是采用轴承座绝缘或端盖绝缘。上篇瞎想发表后有的宝宝就提出有些内容不适用于双馈电机，考虑到双馈电机在轴电流方面问题更加突出，这里就以双馈电机为例，介绍一下抑制轴电流的措施。其单端绝缘的原理结构示意图如图5所示。

      对于差模轴电压，其等效电路见图5a，轴承油膜上的电压为：
      Ub=Ucm•C/（Cb+2C）            ①
      对于共模电压，其等效如图5b所示，无绝缘一端的轴承油膜电压为：
Ub=Ugm•（C+Cb）•Cwr/〔C•Cb+（Cb+Csr+Cwr）•（C+Cb）〕      ②
      有绝缘一端轴承油膜电压为：
Ub=Ugm•C•Cwr/〔C•Cb+（Cb+Csr+Cwr）（C+Cb）〕       ③
      比较②③式可见，有绝缘的一端比无绝缘的一端，油膜电压较低，因此有绝缘的一端不易击穿油膜，无绝缘一端轴承油膜容易被击穿。由①②③式可见，在差模轴电压Ucm和共模电压Ugm一定的情况下，油膜上的电压与轴承绝缘的电容C关系重大，C越大，油膜电压越高，越容易击穿油膜形成EDM电流，因此在轴承绝缘结构设计时，不仅要保证绝缘的电气强度和绝缘电阻，更重要的是轴承绝缘的电容不能太大，对于2兆瓦及以上的双馈电机，轴承绝缘的电容通常不宜超过9nF。为了减小轴承绝缘结构的电容，设计轴承绝缘时应尽量减小轴承绝缘的相对面积、适当增大绝缘厚度（有的企业规定轴承绝缘厚度不低于5mm，绝缘厚度过大又会影响轴承散热）、采用介电常数较低的绝缘材料。
      有些宝宝认为，只要一端轴承采取了绝缘措施就可以阻断轴电流，以上分析告诉我们，这种认识是错误的，一段轴承采取绝缘，只是对差模轴电流的直流和低频分量起到了良好的阻断作用，对共模轴电流和高频差模轴电流，由于电容充放电电流的存在，油膜上仍存在高频交变电压，一旦电压高到油膜击穿阈值就会产生EDM电流损伤轴承，特别是对于高频共模轴电流，无绝缘的一端基本没有抑制作用。考虑到由电网供电的电机轴电压的高频成分和共模轴电压很小，因此这种方法比较适宜，对于变频器供电（特别是变频器为转子供电的双馈电机）这种措施通常是不能满足要求的。
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      3 双端轴承绝缘
双端轴承绝缘就是电机两端轴承都采取绝缘措施。其结构和差模、共模等效电路如图6所示。

      对于差模轴电压，由图6a可见，两端绝缘的电容为串联关系，宝宝们知道，两个同容量的电容串联后总电容会减小为单个电容的1/2，将①式中用1/2C替代C后得到的Ub即为两端绝缘后单个轴承油膜上的差模电压。即：
Ub=Ucm•C/〔2（Cb+C）〕              ④
      对于共模电压，由图6b可得轴承油膜电压为：
Ub=Ugm•C•Cwr/〔2C•Cb+（Csr+Cwr）（C+Cb）〕                 ⑤
      比较④⑤式和②③式可见双端绝缘比单端绝缘油膜电压大大降低。
以上分析可见无论是共模电压还是差模电压，双端绝缘比单端绝缘油膜电压都有所降低，因此双端绝缘在抑制轴电流方面更可靠，不仅抑制了差模轴电流，也有效抑制了共模轴电流。
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      4 双端绝缘加轴接地
      双端绝缘措施虽然无论在抑制差模轴电流和共模轴电流方面都十分有效，但仍然不同程度地存在油膜电压，特别是对静电荷积累引起的共模轴电压，由于没有对地释放静电荷的通路，随着静电荷的积累，油膜电压会持续增高，直至击穿油膜予以释放，为了抑制静电引起的共模轴电压，同时也为了进一步减小油膜电压，用接地电刷将轴与外壳直接短接是一种非常有效而且常用的措施，其结构和等效电路如图7所示。其原理是轴与外壳短接后，为静电荷释放提供了一个低阻通路，强行使得轴与外壳（地）等电位，大大降低了油膜电压，将轴电流通过接地电刷和接地线引入大地，从而不再通过轴承油膜。因此这种措施更加有效，即使轴承绝缘失效也同样能够保护轴承不被电蚀。

      关于轴接地措施有以下注意事项：一是轴接地分单端接地和双端接地两种，通常与轴承绝缘措施共同使用，双端绝缘加双端接地效果最佳。当差模轴电压不大时也可以采用单端接地，但当采用单端绝缘单端接地时，切不可将单端接地与单端绝缘置于轴的同一端，而应该分别置于轴的两端，否则会使未采取绝缘的一端轴承油膜电压更加恶化。如果两端都没有绝缘，则必须采取双端接地，不可只采用一端接地；二是接地电刷应选用接触电阻小含银高的电刷，接地线尽量粗、尽量短以减小接地电阻；三是接地点尽量靠近轴承绝缘的外圈，因为接地的目的是短接轴承的油膜，以减小油膜电压。
      以上是抑制电机轴电流的常见措施，其中第1条是基于第一条途径，从源头上抑轴电流的方法；其余第2、3、4条是基于第二条途径，改变轴电流路径阻抗来抑制轴电流的方法。宝宝们可以根据实际应用场合选取适当的措施。除此之外还有一些措施，如采用屏蔽电缆、采用导电润滑脂等措施，篇幅所限就不再一一介绍了。
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      讲到这，本瞎想应该就结束了，但考虑到上一篇瞎想发表后有位宝宝在留言里提到，做耐电压试验时会不会导致轴承电蚀，鉴于这个问题具有典型意义，很有技术含量，现专门就此问题答疑如下：
在工序间的半成品阶段，定转子还未完成总装，此时做耐电压试验不会造成轴承电蚀。但在整机做耐电压试验时就有讲究了，无论是匝间还是相间或对地耐电压试验时都会产生轴电压，特别是做对地耐电压试验时，试验电压直接加到绕组和地之间，通常耐电压试验的试验电压很高，做匝间耐电压试验时，通常是施加冲击电压，dU/dt很大，这相当于在绕组和地之间施加了一个极高的共模电压，如果试验电源的地线接线位置不当会直接损伤轴承。正确的做法是：在做转子绕组耐电压试验时，试验电源的地线应该与轴或转子铁心连接，切不可只与机座外壳连接；在做定子绕组耐压试验时，试验电源的地线应与机座外壳连接，切不可只与轴连接！无论做什么耐压试验，最好是先将轴与机座外壳用保险丝临时短接起来，或保持轴上的接地电刷良好接触。否则，可能电机还未出厂投入运行，轴承就已经因耐电压试验损坏了！
通过两期的瞎想，轴电流的问题基本说得差不多了，希望能给宝宝们一些帮助，有些随时遇到的具体问题，可以私下与老师讨论，下课！

hz1227

多谢，把原理讲的听细致了，正在学习从变频器端抑制