轨道车辆交流电机轴电压和轴承电流的产生机理与预防

李勇

（西门子交通技术（北京）有限公司上海分公司，上海200082）

1 概述

交流电机设计久经考验、长期可靠运行所需维护小、而且其结构简单，广泛应用于城市轨道车辆牵引系统中。随着电力电子技术的发展，大功率半导体器件的逆变器因具有稳定、开关损耗低等优点，作为交流电机供电电源，在轨道车辆中广泛使用。近年多有用户反映PWM 逆变器供电的牵引电机上，电机轴承发生电腐蚀失效，最终导致牵引电机抱死、车轮擦伤等影响车辆运营案例。初步调查发现逆变器供电电机轴承上过大的轴电压、轴承电流与轴承电腐蚀失效有很大关联，本文阐述了电机轴承电腐蚀失效的有关机理，并直接给出相应的防范建议。

2 轴电压和轴承电流产生机制

交流电机产生轴电压和轴承电流的两个主要原因：

制造过程（包括公差、材料等）导致的不对称磁场（电机本身因素）；

供电电压影响（外部因素）。

2.1 磁场不对称导致的轴电压和轴承电流

交流异步电机在正弦交变的电压下运行时，其转子处在正弦交变的磁场中。由于电机制造公差，磁性材料各向异性、定转子扇形冲片、硅钢片叠装、通风孔等工艺因素的存在，在磁路中造成不平衡的磁阻。当电机的定子铁芯圆周方向上的磁阻发生不平衡时，便产生与轴相交链的交变磁通，从而产生交变电势。当电动机转动即磁极旋转，通过各磁极的磁通发生了变化，在轴的两端感应出轴电压。这种电压是延轴向而产生的，如果与轴两侧的轴承形成闭合回路，就产生了轴电流。

2.2 供电电压导致的轴电压和轴承电流

交流电机由GTO 或者IGBT 逆变器供电，其逆变器输出的附加共模电压具有开关功率器件一样的频率，其快速变化的电压会导致在电机内形成杂散电容，进而导致轴电压和轴承电流等附加效应。

由于轨道车辆用逆变器输出电压变化率高达5KV/μs，开关频率高至400Hz 到1.5kHz ，因此在对牵引系统分析时，对电机模型化，不仅要考虑其具有欧姆特性，还必须要考虑电机的杂散电容。三相交流电机主要的杂散电容分布如图1 所示。

图1 牵引逆变器供电下感应电机杂散电容分布

Csf——定子绕组与电机外壳之间的电容；

Csr——定子绕组与转子轴之间的电容；

Crf——转子轴到电机外壳之间的电容；

Cbi——绝缘轴承电容；

Cb——润滑油膜电容。

牵引逆变器供电情况下，由于杂散电容的耦合作用和牵引回流电路设计，导致电机轴电压和轴承电流有不同的产生机理。

2.2.1 电容性放电轴承电流

电容性放电轴承电流通常包括轴承电容性放电电流和放电加工（EDM）电流。共模电压变化率及其幅值分别对轴承电容性放电电流和放电加工电流产生影响。功率器件开关动作会产生一个交变的共模电压。加于轴承绝缘层电容Cbi（如果有）或者润滑油膜电容Cb 上，共模电压变化率du/dt 会导致轴承电容性放电电流Ic，其值：

此外，交变的共模电压产生的共模电流通过电容Csr 流向转子，最后通过轴承回到接地的定子外壳上，此轴承电流称之为放电加工电流，等效电路图如图2 所示。

2.2.2 循环的轴承电流

电机中的最大杂散电容是定子绕组和外壳之间的电容Csf。共模电压的每次变化，有电流流过电容Csf，在由转轴、两个轴承、轴承防尘圈和外壳组成的封闭路径中产生感应电压，并形成一个循环的轴承电流，如图3 所示的等效电路图。

图2 放电加工电流等效电路图

图3 循环轴承电流等效电路图

图4 轴承接地电流等效电路图

2.2.3 轴承接地电流

电机杂散电容Csf 上的共模电流通过可能的接地回路回流。而通过轴承接地回流的共模电流，称为轴承接地电流。图4 为一个轴承接地电流等效电路。其中电感Lfe 代表定子外壳接地回路的电感（阻抗）。由于感抗的存在，接地回流电流I1 和I2 会导致电机外壳对地产生感应电压，感应电压导致电流I3 通过轴承和轴回地，此电流对轴承有害，并可能会导致电磁兼容问题。

2.2.4 牵引回流轴承电流

牵引系统回流电流不仅通过车辆接地电刷流回轨道，部分牵引回流电流可能通过电机的轴承流向导轨，这取决于车辆接地原理设计。因此，在车辆电气设计时，需要认真考虑接地电阻的选取，以防止过大牵引回流电流通过轴承，造成轴承损伤。

3 轴电压和轴承电流对轴承的影响（电腐蚀失效）

轴承运行时通常在其工作表面带有一薄层润滑脂，其击穿电压取决于油脂类型、温度、粘度和润滑油膜厚度等因素。测量表明当电压达到30-50Vpeak时候，润滑脂膜可能被击穿，电流流过轴承。对于电容性电源，其阻抗相对高，轴承表面的腐蚀是逐渐出现并恶化的。轴电压从侧面反映出可能的轴承电流大小，当电流通过接触表面，电流聚集在接触点上，导致其局部电流密度高，产生电弧。电弧导致其接触面有局部金属熔融，产生电腐蚀，最终在轴承滚道上形成点蚀和波浪纹排列的电蚀沟痕，如图5 所示。轴承滚道表面变粗糙，会加速其机械磨损，同时电弧导致轴承润滑脂失去其纯度，加速其老化和过早失效，最终导致轴承疲劳失效。

4 轴电压和轴承电流的预防措施

4.1 严格的机械组装流程与合理的电气和机械安装

电机厂家在制造过程中，严格安装制造工艺和要求，选择材料，控制制造误差，限制电机因不对称等结构问题导致的典型的轴电压和轴承电流。合理的电机电气安装方案可以避免或者减少轴电压和轴承电流。原则上就是在主接地回路上确保尽可能低的阻抗，来避免杂散电流通过轴承回流到地。例如对于三相交流电机，使用屏蔽电缆作为动力电缆，选择合适的电缆密封套，使之屏蔽电缆接地可靠，保证功能性接地回路低阻抗；同时保护性接地回路选择屏蔽电缆或者编织带，保证接地回路尽可能低的阻抗。在设计轨道车辆接地概念时，需要考虑电机轴承因素，进行合理的接地概念设计，有效的减少高频谐波电流流过轴承，从而防止轴承发生电腐蚀。此外，在电机外壳和联轴节与齿轮箱之间等电势连接（通过连接导线或者电机外壳与驱动机械外壳直接螺栓相连），形成电机外壳与驱动机械直接可靠的机械电气连接，也可减少轴承接地电流，此措施经济并且切实可行。

4.2 对逆变器输出电压和共模电压进行滤波处理

通过添加用来衰减高频共模电压的滤波器，控制逆变器的输出电压变化率，修正其波形，从源头上减少共模电压激励源，从而极大地抑制轴电压和轴承电流。此类滤波器成本较昂贵，需要额外在逆变器输出电路中安装此设备，且会导致逆变器输出有压降和输出电压受限。

4.3 改善逆变器开关频率

城轨车辆用逆变器开关频率在400Hz - 1.5 kHz。如果逆变器允许修正开关频率，在不影响使用情况下，可以通过减少开关频率，减少共模电压。

4.4 安装转子轴接地碳刷

通过安装转子轴接地碳刷，使转子和定子之间电势差相等，避免轴电压和轴承电流的产生。转子轴接地碳刷可以考虑安装在电机的驱动端，也可以安装在非驱动端。试验表明，在车辆加减速阶段，配备绝缘轴承的牵引电机上测量转子轴电压峰-峰值，没有安装转子轴接地碳刷的瞬时轴电压高达206V，而安装了转子轴接地碳刷的瞬时轴电压控制在10V 以内。由于接地导流效果良好，越来越多的应用于城轨车辆电机上。

4.5 使用混合陶瓷轴承或者陶瓷轴承

在城轨车辆交流传动系统中，通常用两个普通的绝缘轴承来隔绝轴承电流。但是这不会消除高频电流问题。为了保证良好的绝缘效果，混合陶瓷轴承或者陶瓷轴承越来越被电机制造商作为一个标准配置提供。

4.6 转子进行静电屏蔽

在电机定子和转子之间的气隙中安装法拉第屏蔽板，减少定子和转子之间的高频杂散电流耦合。此方案不能防止循环轴承电流和轴承接地电流，而且费用高昂，制作复杂。牵引电机通常不会使用方案。

5 对有轴承电腐蚀现象牵引电机的建议

根据国内地铁公司反馈，不同厂家设计的牵引电机，都不同程度的发生过轴承电腐蚀现象。通过深入分析失效轴承特征及其整个车辆系统，提出调整整车接地系统对应元器件选型参数，达到减少或者防止可能的牵引回流通过电机轴承；对逆变器输出电压增加高频滤波器或者改变已有滤波器对应参数，抑制共模电压产生；在电机驱动端或者非驱动端侧，加装转子轴接地碳刷，防止可能的轴承电流产生。使用对压接工艺要求简单、接地可靠的电缆密封套，对可能导致功能性接地不良的电缆密封套进行更换。对于电腐蚀仍然发生的电机轴承，建议在大修期间，更换为绝缘性能更优的混合陶瓷轴承，同时在电机外壳和联轴节与齿轮箱之间等电势连接。实践证明，部分或者全部执行上述措施，可以有效的防止轴电压和轴承电流产生。

6 结论

本文针对近年来牵引电机轴承偶尔发生电腐蚀失效现象，通过对牵引电机轴承电腐蚀产生机理的研究，结合现场调查和试验分析，得出预防牵引电机轴承电腐蚀失效具体措施，并在具体项目中执行，取得预期效果，延长了电机维修周期，保障车辆运营安全。