科学瞎想系列之七十五 轴电流是个神马鬼（1）

标准答案

原创： 龙行天下 龙行天下CSIEM  5月2日

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      搞电机的宝宝们大多遇到过轴承电腐蚀的头疼事，这都是那万恶的轴电流所致。所谓轴电流就是流经电机转轴、轴承到机壳的电流，关于轴电流的危害，这里不再啰嗦，看图。


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       轴电流对轴承的损害特征是：对滚动轴承会在轴承内外圈滚道上留下类似搓板一样的纹路，这是由于轴电流流经滚道与滚动体的接触面时产生放电火花使局部金属材料熔化，熔化物被高速旋转的内圈和滚动体碾压形成搓板纹；对滑动轴承，会在轴瓦合金表面形成放电火花烧灼的痕迹。这些都会对轴承造成严重伤害。那么轴电流是怎么形成的？它有什么规律和特点？如何抑制轴电流？老师就分两期给宝宝们说说轴电流那点破事，今天先说轴电流有哪些种类及产生的机理，下一期说说轴电流如何抑制。
        按照产生的原因，轴电流分以下几种：
       1 磁通不对称产生的轴电流
       磁路和电路的不对称均会导致磁通不对称，从而引起轴电压。此类原因包括：加工精度差、转子自身挠度等原因导致的同心度不够；定转子铁芯硅钢片磁导率不均匀；扇形片分度及拼接不合理；铁芯叠压质量差；绕组及其端部不对称；电机机械结构本身不对称等一系列的原因均可能造成电机内磁势或者磁阻的不对称，形成所谓的“单极效应”，就会在轴与机壳形成的拓扑回路中产生交变磁链，从而在轴两端产生电位差（即轴电压），此类轴电压称为差模轴电压，所引起的轴电流称为差模轴电流。差模轴电流的流通路径是：轴～轴承～机壳～另一端轴承所形成的回路，如图2所示。
         图2 差模轴电流的流通路径   
       上述每一种磁通不对称所引起的轴电压均有特定的频率特征，因此差模轴电压的频谱还是比较丰富的，但通常都分布在低频段，主要包括电源基波频率及其次谐波和低次谐波的范围。由于电机设计、制造以及材料一致性等方面的原因，要想达到完全磁对称是不现实的，正常情况下，差模轴电压是比较小的，对于工频供电的电机，差模轴电压的有效值通常不超过1V ,但它具有较大的能量。根据有关标准规定，如果该轴电压小于0.5V，则认为不会对轴承造成伤害，如果超过0.5V则必须采取抑制轴电流的措施。
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       2 静电引起的轴电压和轴电流
       宝宝们可能从小就听说过“摩擦起电”这个词，在北方干燥的冬季，宝宝们经常会被身上的静电搞得胳膊发麻，这都是因为身体与衣服摩擦后产生的静电荷积累所致。同样电机转子在高速运转时与空气发生摩擦也会产生静电荷，正常情况下转子与地（壳）之间被两端轴承的油膜绝缘，使得转子上的静电荷无法释放，逐步积累形成轴电压，这种轴电压属于轴和接地外壳之间的直流电压，称为“共模轴电压”，随着静电荷的不断积累，这种性质的轴电压会逐步升高，高达到上百甚至数百伏，一旦高到一定程度会击穿油膜对地放电形成轴电流。
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      3 变频器引入的轴电压和轴电流
随着电力电子技术的发展，变频器被广泛应用到各种变速运行的电气传动系统中，电力电子装置的应用在调速、控制等方面给我们带来方便的同时，也并存着诸多的负面效应，其中对电机的轴电压和轴电流的影响就是负面效应的一种体现。下面就重点说说这类轴电流。
      ① 变频器的共模电压
共模电压的定义：共模电压即零序电压，其大小为
Vcm=(Vu+Vv+Vw)/3          （1）
其中：Vcm为共模电压；Vu，Vv和Vw为电机各相绕组的相电压。如果是三相对称交流电源供电，则三相电压之和为0，系统中不存在由共模电压。但由于变频器输出为矩形脉冲，Vu，Vv 和Vw 在任意时刻下都不对称，无论采用什么PWM策略，共模电压都存在，即Vcm不会为零。一般情况下变频器都是由三个桥臂的六个高频开关构成，开关的通断频率称为载波频率，根据这六个开关导通和截止的状态不同，形成了八种不同的工作状态，如图3所示。 对应这八种工作状态，共模电压大小也不相同。

       设直流母线电压为Vdc，对应（a）状态，则逆变器三相输出均为−Vdc/2，代入(1)式得出此时共模电压为−Vdc/2；对应(b)状态，此时逆变器输出的三相电压为−Vdc/2，−Vdc/2，+Vdc/2，代入(1)式得此时共模电压为−Vdc/6；余类推，可得到其它工作状态时的共模电压幅值如(2)式所示，共模电压具有四电平特性。
             ±Vdc/2 (S0、S7状态)
Vcm={                                              （2）
             ±Vdc/6 (其它状态）                          
       图4是实测变频器共模电压的波形图，可见波形呈现出明显的四电平特征，且具有很高du/dt，与理论分析一致。

                 图4  共模电压与轴电压波形
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       共模电压除具有上述幅值特征以外，频率上还具有以下特征：一是载波频率处的幅值最大；二是管子导通和截止时具有很高的du/dt，所以具有载波频率倍频的谐波，这些频率很高，甚至达到数兆赫兹；三是有些变频器为了充分利用直流母线电压，会采用注入三倍基波频率谐波的控制策略，因此会出现三倍基波频率的共模电压。进一步分析和试验均表明，共模电压的幅值与载波频率和基波频率关系不大，但对轴电流的影响巨大。
       ② 变频器共模电压引起的轴电流
       因为电机中存在寄生电容，使得高频电流有了低阻抗通路，一旦存在高频共模电压就会产生共模电流。在正常频率下,电机的寄生电容可以忽略，但对于高du/dt的共模电压来说，作用就很明显了。正因变频器共模电压的存在加之高du/dt的特点，必然会引发变频供电电机的轴电流问题。如图5所示，引发共模电流的寄生电容包括绕组对定子电容Cws、绕组对转转子电容Cwr、定子对转子电容Csr和轴承电容Cb。

             图5 电机寄生电容网络
        通常情况下（低频10-100Hz)，寄生电容的存在影响不大，逆变器的载波频率为数千赫兹，也可以认为是较低的频率，真正引发共模电流最重要的原因是逆变器开关管快速通断产生的高du/dt！为说清楚这个问题，老师先给宝宝们科普一下du/dt是个神马鬼。说！对于一个电容，在给它充放电时，充放电电流i=C•du/dt，由此可见du/dt就决定了电容的充放电电流，高du/dt意味着充放电电流大！
       接下来老师就讲讲变频器共模电压引起的几种轴电流。
       1) 容性充放电轴电流
       当轴承滚子高速运行在润滑油膜上时，由于油膜属绝缘层且很薄，就在轴承中形成轴承电容。如前所述，逆变器输出共模电压的高du/dt就会在电机寄生电容和轴承电容中引发高频充放电电流，每当IGBT导通或关断,都会引发该共模电流。通常这种容性充放电电流的幅值在5-10mA左右，但由于这种电流属于位移电流，并无电荷实际穿越油膜绝缘层，因此这种共模轴电流是无害的。
       2) EDM( Electrical Discharge Machining)机械火花放电电流
上述容性充放电电流虽然本身对轴承不会产生危害，但伴随着这种充放电的过程，会在滚子与轴承内外圈之间的油膜两端引起充电电压，当充电电压超过油膜击穿电压值，电容储存的能量就会通过轴承释放,引发EDM电流（同时产生放电火花），进而损害轴承。
       EDM电流的路径和容性充放电电流的流通路径一样都是，从机轴经过轴承到达机壳，最后流至接地点，如图6所示。
图6 EDM电流和容性充放电电流的流通路径
       轴承电容和润滑油膜的击穿电压阈值并不是定值，因为润滑油膜的厚度取决于诸多因素，如：流体速度、轴承载荷、温度、润滑油的介电强度、轴承表面的粗糙程度等。由于这些因素的存在、放电具有任意性、不直接与IGBT开关瞬问有关。EDM电流的最大值会出现在电机额定转速或者略低于额定转速的时候。若转速更高、油膜绝缘强度更大，EDM电流会下降。油膜厚度约为0.2～2μm，常规润滑油的介电强度为15V/μm，也就是说3～30V的轴电压就足够引发轴承放电，而轴电压的幅值取决于共模电压，这是因为电机的寄生电容网络组成了电容分压器。等效电路如图7所示。

        图7 寄生电容等效电路
    已知轴承分压比率( Bearing Voltage Ratio，BVR)和容性充放电电流，就可以求出轴承油膜上的电压（轴电压）：
Vb=Vcm•BVR
     =Vcm•Cwr/(Cwr+Csr+2Cb)      （3）
      其中：Cwr为绕组对转子电容；Csr为定子对转子电容；Cb为轴承电容。
      特别需要指出的是，对于定子绕组用变频器供电的电机，由于绕组对转子的电容Cwr较小，由（3）式可见，轴承分压比率BVR也较小，大约在3～10%；对于转子绕组由变频器供电的电机（如风力发电中的双馈电机），由于（转子）绕组对转子的电容很大，由（3）式可见，轴承分压比率BVR会很大，可达50%左右甚至更大。因此双馈电机的轴电流问题更加突出！比如当共模电压为400V时，轴电压最高可达200V以上。这样的幅值远高于油膜的击穿电压值，因此必然会出现EDM电流。
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       3）高频环路电流
       高频环路电流比之前介绍的两种轴电流都复杂。由于电机端电压的高du/dt和定子绕组与叠片之间的耦合电容Cws的存在，引发了高频共模电流，频率可达数兆赫兹，电流通过绕组进入定子叠片再到机壳流出，该电流会激发出沿电机周向高频环路磁通。如图8所示，磁通分布在定子周向，圆圈的大小表示磁通幅值。

           图8 高频环路电流
       由于高频电流通过毎层叠片流向接地点，在靠近接地点的叠片附近电流密度最大，远离接地点的叠片处随着距离的增大电流密度逐步减小。因此电流密度沿轴向逐步降低，导致该磁通密度的分布也沿轴向逐步降低。这种周向高频交变的磁通会感应出差模轴电压，当轴电压足够大时，同样会击穿油膜形成高频环路电流，如图8所示，该种轴电流从轴流经轴承到机壳，再通过另一端轴承返回轴。因此高频环路电流属于差模轴电流。
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       4) 轴地电流
如果电机机壳接地不良，轴地阻抗远小于机壳的接地阻抗，就会出现轴地电流。轴地电流的形成机制如下:机端的高du/dt产生的高频共模电流流向机壳，若转子的接地阻抗小于定子机壳的接地阻抗，机壳电位较高时,电流会通过机壳、轴承、轴、负载接地点回到变频器。轴地电流的流通路径如图9。

          图9  轴地电流
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       4 输电电缆的影响
在许多情况下，电机的输电线路很长，如风力发电系统中，变频器有时置于塔筒底部，而发电机置于塔顶机舱中，这种情况下变频器与发电机之间要通过几十米至百多米的长电缆连接起来，所以逆变器输出的脉冲信号不能直接传给电机，而要通过长电缆才能送达电机接线端。由于长线电缆的存在伴随着分布电容和分布电感，电压行波发生反射叠加，可能使共模电压的幅值和高频成分进一步增大，进而加剧轴电流的危害。事实上，当连接电缆特性阻抗与电机不匹配时，在电机输入端可产生3倍于输出电压的尖峰电压，从而严重恶化轴电流并威胁电机绝缘。
       本期老师给宝宝们讲了各种轴电流产生的原因及机理，下期老师将继续给宝宝们说说如何抑制轴电流。好了，下课！

yangchaohjp

长见识了，原理轴承是这样子被腐蚀的

李小林

为什么新能源汽车用的（就是永磁同步电机）没有轴电流的防护做法？

郭磊

李小林 发表于 2018-6-14 09:13
为什么新能源汽车用的（就是永磁同步电机）没有轴电流的防护做法？

轴承内外圈与轴或者轴承室接触处增加绝缘层或者使用陶瓷球轴承

李小林

郭磊 发表于 2018-11-16 10:54
轴承内外圈与轴或者轴承室接触处增加绝缘层或者使用陶瓷球轴承

可是一般用的不多

hz1227

谢谢分享，正开始学习

hz1227

谢谢分享，正开始学习