变频电机轴承损坏原因及预防措施分析

张丹 刘宏

（上海开放大学，上海 200240）

1 概述

福建某纸业公司从国内某高压电机有限公司购置了多台变频电机，运行不到6 个月，有数台电机驱动端的轴承出现异常噪音，测量传感器显示轴承温度明显异常，电机震动增大。测量结果显示电机轴电流严重超标，轴承对地绝缘电阻不合格，轴承绝缘层有裂纹，接地碳刷磨损严重。

2 轴承损坏原因分析

在排除了轴承安装配合的问题后，我们发现轴承滚动面有大量的凹坑，内外圈上有像搓板样的条形痕迹，这是轴电流对轴承破坏的典型特征，可以判断为轴电流造成的电机轴承损坏。根据经验，通常轴电流引起的轴承损坏，发生放电现象通常在电流通过轴承的时候，同时轴承有凹坑。

3 轴电流的来源

考虑到是变频电机，所以这里轴电流有两个可能来源，一是变频器传递过来的轴电流，二是电机自身问题产生的轴电流。其中包括：变频器引起的轴电流、轴承绝缘电阻低引起的轴电流、轴电压等。

4 预防轴电流的措施

针对上述原因分析认为轴电压造成损害必须具备两个条件:一是存在高频的共模电压，二是轴承的润滑油膜破坏，给轴电流提供了内部寄生的容性耦合回路，二者缺一不可。

4.1 改造轴承绝缘端盖

对现场所有电机的绝缘端盖进行改造，现有的端盖绝缘材料容易吸收水分，导致绝缘电阻降低，将绝缘材料更换为改良型的环氧树脂，改良型的环氧树脂有很好的韧性和很高的绝缘性能，不容易吸收水分，而且有很好的韧性，不容易断裂。干燥情况下绝缘电阻通常大于1000GΩ，潮湿的环境下也能保证绝缘电阻大于1GΩ。同时更改轴承传感器的安装位置，把绝缘支撑块固定在绝缘外环的机座上，这样支撑块就和绝缘端盖不在电流的同一个回路上，不会影响到轴承的绝缘电阻，见图1。

图1 改造后的绝缘端盖

4.2 加装正弦波滤波器

我们已经知道，轴电流的三个回路中，电压源都是由逆变器产生的共模电压Vcom。无论输出频率是多少，传动单元的输出电压由上升时间很短的幅值为1.35 倍电网电压的脉冲组成，这是所有传动单元都采用IGBT 变流技术所具有的同一现象。由于电机电缆的性能，脉冲电压峰值几乎是发电机端子电压的二倍，因而会对电机绝缘层产生附加的电压冲击，与电机绕组特性有关，这对电机的绝缘提出了更高的要求。这种以快速上升的电压脉冲和高开关频率为特征的现代变频调速单元，会产生脉冲电流流过发电机轴承，对轴承造成电腐蚀。

当电源端使用一个适当的滤波器，使系统阻抗匹配的同时减小电压脉冲的反射，目的是抑制变频器输出谐波的干扰抑制过电压，从而进一步抑制了共模参数对系统的危害。

载波频率对电机dv/dt 轴电流的幅频特性影响很大，虽然对电机共模电压和轴电压的幅频特性影响不明显。形成dv/dt 轴电流是需要共模电压和轴电压通过电机内部复杂的电容参数耦合形成的。因此在轴电流的分析研究中，只单纯的对轴电压和共模电压的特性进行分析是不够完善的。

滤波器主要由安装在传动单元内部的环形铁心组成。正弦波滤波器是抑制传动输出高频部分的低通滤波器，用于变频器的正弦波滤波器，由单相或三相电抗器和三角或星形连接电容器组成，能够有效降低IGBT 输出的高dv/dt，延长电机寿命抑制变频器输出的电磁干扰补偿长线分布电容的影响，延长传输距离减小变频器噪声，修正变频器输出波形为准，正弦波只能降低共模电压，图2 显示了有正弦波滤波器的传动系统。

图2 正弦波滤波器

我们需要明确的是在电机与变频器之间安装正弦波滤波器，其实不能完全抑制轴电流的发生，而且安装变频器的缺点在于其复杂的安装和昂贵的成本。

4.3 合适的电缆和电缆连接

控制高频轴承电流最基本的方法就是正确的接地系统。标准的设备接地就是要设计出足够低的阻抗连接保护人和设备免于系统性的故障危害。如采用图3 两种安装方法的话，变频器可在高频共模电流下有效地接地。

图3 改造前电机电缆安装方式

4.3.1 对称多芯电机电缆

不同型号转子电缆连接如图4 所示。为了减小发电机侧的射频干扰(RFI) ，对电缆屏蔽层360 度接地或将屏蔽层拧成一束( 宽度＞1/5 × 长度) 之后接地。

图4 360 度接地电缆

为了有效抑制辐射和传导性干扰，屏蔽层的电导率必须大于相导体电导率的1/10。对于铜或铝屏蔽层，这条要求非常容易满足。电缆包括一层同轴的铜线和螺旋状铜带，屏蔽层越紧越好，电缆发出的电磁干扰和轴承电流就越小。

铜带电缆芯内部绝缘层U2、V2、W2、PE 电机电缆的对地连接（保护地，PE）必须是对称的，以避免基频轴承电流。要获得PE 导体的对称，可通过使用一个导体将三相相导线包起来，或使用在三相相导线周围对称分布三根接地导线的电缆。

4.3.2 降低接地阻抗

降低接地阻抗，形成一个低阻抗的回路，使共模电流返回变频器。最好最方便的方法就是使用屏蔽电机电缆。屏蔽层必须是连续的且要是良导体材料，也就是铜或铝材料，并且需要360度接地。图4 所示屏蔽电缆以尽可能短的小尾巴的形式连接到PE 端子，为使EMC 网电缆屏蔽层之间360 度高频连接，电缆的外部绝缘层要被拨开。

4.4 更换接地碳刷

原先的接地碳刷由于流过了大的轴电流导致碳刷烧损严重，已经无法接触到转轴，现在需要重新更换接地碳刷，为了保证转轴电位为零电位，要让接地碳刷可靠接地的同时并能与转轴可靠接触，可以及时将电机轴上的静电荷引向大地消除轴电流。

4.5 高频接地屏蔽电缆

在系统和地参考点之间使用50－100mm 宽的铜绞带进行高频连接，以使各部分的电位相等，见图5 所示。扁平电缆将提供一个比圆电缆小的电抗回路。这需要变频器的接地和电机的接地断开的地方进行连接。另外要使电机外壳和驱动机械的电位相等，以缩短电机和驱动负载轴承间的电流回路。

图5 对称屏蔽电缆

5 结论与展望

按照以上几种方法改进后，效果明显。电机一直安全运行，无异常噪音及报警出现，这充分说明上述几种发法的可行性及合理性。对于电机自身而言，通过使用绝缘轴承就可以有效的保护轴承以免轴电流损害，但是对于整个驱动系统而言，是远远不够的。要使整个驱动系统处于一个安全，不受轴电流损害的情况，还需要做很大的研究。