轴电流引起的感应电机轴承烧损故障分析

轴电流引起的感应电机轴承烧损故障分析

李雪珍、黄新宇、朱杭杭

中车永济电机有限公司  陕西省西安市 710018

 摘要：本文分析了电机PWM逆变器供电时的轴电压、轴电流产生的机理，提供了轴电流烧损轴承的判断方法。为减少轴电流对感应电机的危害，提出了轴承绝缘、转轴加接地电刷等防止双馈感应电机轴电流造成危害的具体措施。

关键词：轴电流、轴承烧损、原因分析、抑制措施

1引言

近年来，以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为功率器件的脉宽调制(PWM)逆变器作为变频感应电机的驱动电源时，由于变频器产生的高频共模电压会在电机转轴上感应出高幅值的轴电压、并形成轴电流，而轴电流作用在电机轴承上容易导致轴承过早的损坏，缩短电机的使用寿命。据统计，轴承故障在感应电机常见故障中约占到电机损坏总数的40%，故障原因除机械原因外，有相当大一部分为轴电流所致，而对于转子由PWM模式变频器供电的感应电机，有时轴电流作用在电机轴承上引起轴承烧损的事故不会起人们的注意。在发生轴承烧损事故时，往往只注意从机械配合方面考虑，在更换新轴承后，因电机的轴电流并没有消除，又引起轴承烧损事故，造成不必要的损失。所以有必要对轴电流的产生及预防做出分析。

2  轴电压和轴电流产生机理

2.1 PWM波引起的轴电压

共模电压

根据PWM逆变器的拓扑电路进行分析可知

VA + VB + VC -3VM = (RM + LM d/dt)(ia + ib + ic )            （1）

对于星形连接

ia + ib + ic =0                                     （2）

其共模电压耦合到转轴上的轴电压可以表示为

VM =( VA + VB + VC )/3                             （3）

式中, VM 为变频器产生的共模电压, VA 、 VB 、 VC为变频器 3个输出端对地的电压。

共模电压可以定义为逆变器中点的对地电压。这个电压在三相对称正弦波供电时为零。但是在PWM供电下，共模电压取决于逆变器的开关状态，根据开关器件( 0 0 0)到( 1 1 1)的开关状态的不同, 共模电压的大小可表示为:

􀀁        ±UDC/2　　状态（000）和（111）

VCM =

±UDC/6    其他状态                         （4）

式中, UDC 为变频器直流母线侧的电压。

PWM逆变器输出的共模电压的波形以及三相波形，如图1所示。

由图1可以看到，PWM逆变器输出的每相波形都是矩形波，尽管它的三相基波分量(见虚线所示)的合成矢量为零，但是从实际PWM波每一时刻的合成矢量来看并不为零。换句话来说，就是共模电压的瞬时值不为零。由图可以观察到共模电压是一个上下阶梯状的函数，它的幅值等于直流侧电压值，波形中阶梯的每一个台阶都是1/3的直流电压值，而频率等于逆变器的开关频率。

【图1】 PWM逆变器三相输出和共模电压波形

2.2 轴电流产生

当电动机端产生共模电压时, 正是因为高频下定子绕组、转子和定子之间的寄生电容的耦合,为轴电流提供了流通的路径。由共模电压引起的轴电流主要有两种类型组成: ( 1)当电机正常运行时, 轴承内外圈没有电接触, 此时对电机内部的寄生耦合电容充电, 当润滑介质击穿或由于电机运转时的振动等因素造成轴承内外圈短路时, 充电电容放电, 形成EDM ( Electric Discharge Machining)放电加工电流; ( 2)轴承的阻抗很小, 它将为由共模电压的dv /dt所产生的轴电流提供流通路径, 形成dv /dt电流。当出现润滑介质击穿时, EDM 电流的峰值可达到1 A 左右, 对轴承的电气损坏主要表现是在轴承座圈上刻出凹槽。dv /dt电流的幅值一般不大, 它对电动机轴承的损坏不像EDM电流那样剧烈; 它持续不断地腐蚀着轴承上的润滑剂, 最后造成电解质击穿。

3 轴电流导致轴承烧损的危害特征

我们对轴承故障的双馈感应电机的轴承拆解后发现，在转轴轴承位置和轴承滚道表面有小而深的圆形蚀点，轴承滚道表面有搓衣板状的条形烧伤痕迹，同时其表面还伴有麻点、伤痕，有的甚至还有裂纹出现；有的轴承内圈与转轴烧死粘合，滚道上有凹坑、保持架断裂等现象。

造成搓板样的烧痕（图2）是由于滚珠在轴承圈的跑道上滚动和辗压跑道时，在辗压接触地方接触电阻很小，并将润滑脂挤向两侧，当滚动体将要离开原位置时，产生小间隙。轴电流放电在转轴和轴承滚道的表面，产生很多蚀点，将跑道表面烧成线条状痕迹。线条的个数与轴电流频率、电机转速和轴承内状况有关。当后来的滚动体继续向前转动时，因辗压使烧痕压平、压光，所以跑道表面会出现光亮。而随着轴承的持续运转，轴承温度升高，轴承内圈受热后绝缘材料软化与滚动体相互作用形成凹坑；同时内圈发生膨胀，与转轴发生相对运动产生高温造成轴承烧死粘合。

【图2】搓板样的烧痕      【图3】保持架裂

4 抑制或减小轴电流的措施

4.1在传动端增加接地电刷，使轴电流从多路泄掉。

为了进一步测试轴电压和轴电流对轴承的影响，我们在试验台上对轴电压和轴电流进行了检测。具体测试结果如下：

【图4】传动端不接接地刷时的轴电压及轴电流   【图5】传动端接接地刷时的轴电压及轴电流

说明：

①通道：传动端轴对传动端接地螺栓的轴电压；

②通道：传动端轴对非传动端接地块的轴电压；

③通道：传动端轴电流 ；

④通道：非传动端轴电流。

从图4和图5对比可以看出，传动端加接地电刷后，非传动端和传动端的轴电压降低了，非传动端的轴电流也降低了，从而可以减少对轴承的影响。

4.2 端盖采用绝缘端盖。

机理分析：根据公式I=C·dV/dt，其中，I为通过轴承系统的电流，C为轴承系统的电容值，dV/dt为施加于轴承系统上的电压变化率，也就是变频器的电压变化率。

从上式可知要想减小轴承电流，有两种方法即：

（1）减小轴承系统的电容

（2）减小变频器的电压变化率dV/dt

而轴承系统的电容值C= K×A/t，其中K为介电常数，A为绝缘层的面积，t为绝缘层的厚度。从上式可以看出绝缘层的厚度越大电容越小，通过的电流也就越小，所以尽可能采用较厚的绝缘层。而绝缘轴承的绝缘层厚度仅为0.1mm（SKF）或0.2mm（FAG）,绝缘端盖的绝缘层厚度可以做到3mm以上，这样通过绝缘端盖的电流可以较原来大大减小，从而缓解轴电压和轴电流对轴承的影响。

5 结束语

本文分析了PWM逆变器供电时，产生的轴电流加剧了轴承的损坏，由此引起对电机轴承研究的重视;如何有效的抑制或减少轴电流，是我们所关注的关键问题，通过理论分析和实践经验，文中提出的方法切实是行之有效的，随着科技的发展和技术创新能力的提高，更多更新的方法将不断出现。

参考文献

[1] 梁庆信译. 感应轴承电流[J]. 中小型电机, 2002,(3).

[2] 陈世坤.电机设计[M]. 北京: 机械工业出版社1992.

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