电机轴承产生电蚀损伤的机理

电机轴承产生电蚀损伤的机理

电机轴承的电蚀问题已经存在了几十年，其可以在没有变速驱动( VSD)的交流电动机和直流电动机中发生。随着20世纪90年代变频电动机的出现，轴承电蚀损伤出现了显著性的增长。

在所有类型的电动机中，非对称且无屏蔽的电缆(图1)或电动机中磁通不对称都可形成杂散电流。如果转子不在定子中心或定子绕组不对称，均会产生交变的磁通。定子中产生的循环通量给转子提供了对称和不对称状态交替变化的磁通。磁通量的变化产生了轴向电压，其频率可与通量频率一样，也可为通量频率的多倍。轴向电压导致低频循环电流流经轴承。通量不对称的经典问题在较大尺寸的两极电动机上更加复杂。这些大型电动机本来就比小型的多级电动机(图2)产生更大的通量不对称。

变频电动机依靠变频器来运行，变频器是电动机的重要组件之一，因为其简化设计且控制可变速率，降低能耗且支持高速设计。然而，由于在变频器中使用了可进行功率转换的半导体，变频器在轴承中造成的电损伤也在增加，功率转换半导体是一个门极可关断晶闸管，但在当今市场上已被绝缘栅双极型晶体管( IGBT)取代。

绝缘栅双极型晶体管被用于创建脉冲宽度调制(PWM)输出电压波形，特征是在电动机中快速转换以及在转换器输出中电压可快速上升到8 kV，这提高了驱动器的效率和动态性能。使用PWM变频器的副作用是快速转换( 100 ns)引起的高频(HF)电流现象。PWM变频器是固有的共模电压和陡前沿脉冲(快速电压转换)引起各种高频交流电的源头。快速转换引发的高频(5 kHz ~ 10MHz)电流造成了轴承损伤。

对于变频器供电电动机，快速转换引起的问题有：1)高频轴接地电流；2)高频循环电流；3)电容放电电流。

由于三相电压之和不等于0(图3)而导致变频器输出的共模电压是前2类电流产生的原因。第3类电流由变频器试图仿真一个由PWM信号提供的正弦波而产生，该信号具有高频整流和快速转换(陡前沿脉冲)。滚动体和套圈的接触形成一个电容器。快速转换引起电容放电电流。

1.1高频轴接地电流

保护接地电压，类似问题出现在较高频率的较差电缆上,是变频器输出共模电压的结果。如果回流电缆的阻抗太高且定子接地差,那么电流就会走定子的路径，穿过轴承，通过轴到驱动机械的地面(图4)。

1.2高频循环电流

在定子绕组的三相之间，共模干扰产生不对称电流，围绕定子周围的电流总和不为0。围绕轴的高频流变化产生了高频轴电压。因此,轴向流动的电流很危险,该电流可穿过转子轴、轴承、定子以及后面的其他轴承(图5)。

1.3电容放电

润滑膜将滚动轴承中的滚动体与套圈分隔开。被转子及高频电流充电成电介质的润滑膜形成了电容器，电容量取决于几个润滑参数，包括增稠剂、润滑油类型、润滑膜厚度、工作温度和润滑剂黏度。当电压达到润滑剂击穿电压的界限，电容器就会放电并产生高频电流。电动机转换的每个瞬间都会出现放电现象(图6)。