电机轴电流预防措施的研究分析

2022-06-24殷朱晨迪余旭东

专用汽车 2022年6期

殷?　朱晨迪　余旭东

摘要：阐述了永磁同步电机轴电压（流）的产?机理，总结了电机产?轴电流导致轴承烧损及轴电流对电机的危害。此外，介绍了两?类针对电机轴电流预防措施的研究进展，并从成本、导电性、可靠性、耐磨损度、应?案例以及供应商等??，对各种?案进?了详细的对?，同时也为整?企业解决电机轴电流问题提供了可供借鉴的?法和?段。

轴电流问题提供了可供借鉴的?法和?段。

关键词：电机;轴电流;措施;研究分析

中图分类号：TM32 收稿?期：2022-03-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.06.016

1 研究背景

现今汽?的电驱系统需要越来越?的电压脉冲，?些?型甚?已经搭载可以承受800 V?压的碳化硅电驱系统[1]。在整?运?过程中，这些?整流频率的?压脉冲将导致?电流脉冲通过轴承，反复的?电流流经电机轴承会逐渐烧蚀轴承座圈，因此研究轴电压和轴电流以及其预防措施有着重要意义[2]。

电机在正弦波电源驱动下运?时，通过电机轴的交变磁链产?轴电压。这些磁链是由转?和定?分离铁??之间的接触部分、磁性材料的定向属性和供电电源不平衡等因素引起磁通不平衡而产?的[3]。例如：磁路不对称、电容电流、静电效应、静态励磁系统、外壳和轴等的永久磁化，均有可能引起轴电压[4]。在轴电压的波形中，存在许多复杂的谐波脉冲分量，这些谐波分量会伤害到轴上的绝缘油膜[5]。若轴电压超过轴承油层击穿电压，则在轴承上会形成很?的轴电流。该电流会烧蚀轴承部件，造成很?危害[6]。

最本质避免轴电流的?法是提供合适的接地路径，且让离散电流回到变频器，从而使得电流避开轴承[7]。本?也将介绍阻断轴电流回路以及在电机端盖、壳体与轴承之间构建等电势体这两种遏制轴电流的?法，讨论分析其中具体?案的研究现状，为未来电机的轴电流预防措施提供参考[8]。

2 电机轴电流预防措施的研究进展由于电机中IGBT等电?器件?频开合产?的巨?瞬时电压变化，使得该电压对轴承内部形成的油膜电容进?不间断的充放电，从而在电机轴上产?了轴电压。当轴电压达到油膜击穿电压阈值时，轴承上的油膜被击穿进而产?轴电流[9]，该电流会对轴承寿命造成严重的损害[10]。

为了减少轴承温升过快、烧损和电机振动，延?电机运?的可靠寿命[11]，通常会采?阻断轴电流回路和在电机端盖、壳体与轴承之间构建等电势体这两种?法，其中每种?法都包含了多种市场上存在的多种实施?案。?案的具体实施措施详?下?。

2.1 阻断电机轴电流回路法

阻断轴电流回路的?法是将可以绝缘的轴承座绝缘起来，?般采?强度较?的绝缘材料来承受轴电压（流），而不是让油膜直接承受轴电压。绝缘的?法應该在所有可能构成回路的地点实施，例如：电机励磁机侧主轴承座、电机励磁机侧密封?以及所有与这些轴承相对应的进油管和出油管、?冷机组转?进?管等。轴承的绝缘材料可以安装在轴承座与底板之间，进油管和出油管的绝缘材料可以安装在油管的法兰上?[12]。?前，?企中经常采?的零部件绝缘主要措施为以下三种：采?特制的陶瓷球轴承，在轴承内外圈表?增加特定涂层，以及在电机端盖处使?绝缘盖板。

a.为了阻断轴电流，?些?企采??本KOYO公司开发的微型混合氮化硅陶瓷球轴承。

氮化硅有许多优点，如：密度轻，绝缘性能佳，耐?温和耐磨损等。因此，电机在采?该类型轴承时，不仅可以提?电机在?速?作时的性能（摩擦?矩小，振动小，温升低），还可以减少?速?况下轴电流带来的烧蚀危害，提?绝缘效果可靠性[13]。某些特制陶瓷球轴承的疲劳寿命甚??普通全钢轴承的疲劳寿命?5倍，且其在脂润滑条件下的振动增加值也仅仅是普通全钢轴承的1/30。

采?氮化硅陶瓷球轴承也有缺点，就是增加了电机成本。与普通?碳铬钢轴承相?，该轴承的成本是普通轴承的10倍以上。特斯拉的早期?型采?过陶瓷球轴承，?幅度降低了轴电流带来的危害，后期?型改为了普通轴承。

b.为了削弱电机轴电流带来的影响，还可以采?在电机轴承内外圈表?喷涂氧化铝陶瓷涂层的?式。

经过?量测试对?，结果表明氧化铝陶瓷涂层的外圈做封孔处理可以提?在?湿度环境下的绝缘性能[14]，?业上?般采?纯度为99.5%的Al O 喷涂专?粉末。在80℃基2 3体预热温度、38 g/min送粉速率和220 r/min转台转速的条件下，涂层厚度?般通过调整等离?喷涂主次?流量、电弧电流、电弧电压及喷涂距离等主要参数来实现[15]。

市?上喷涂100 μm的Al O 涂层轴承可以承受1 000 2 3VDC的轴电压，且成本较低，造价为普通涂层轴承的2倍以内。在轴承内外圈采?Al O 涂层也有其缺点，就是对于遏2 3制在IGBT处于超?频率?况运?时产?的轴电压的效果并不是?分明显。

c.另外?种遏制轴电流的?法是在电机端盖处使?绝缘盖板。绝缘盖板的制作材料多为玻璃钢，层压板或橡胶[16]。

该?案的内部结构如图1c所?，其中红?部分为绝缘板，通过绝缘螺钉与电机端盖连接。当电机轴电压升?形成回路产?轴电流时，盖板的绝缘隔层垫以及绝缘涂层可以避免电流传导出电机，从而防?对电机轴承造成伤害，以增加电机的使?寿命。同时，绝缘盖板对?作?员也能起到保护作?，提升使?时的安全性能[17]。

采?绝缘端盖的优点是能?幅度降低成本，且是?种容易实现预防轴电流的?法。其缺点主要体现在：端盖分为两部分，加??较多，存在累计误差，绝缘材料的耐振动等级需要验证。

2.2 构建端盖、壳体与轴等电势体法

另?种防?轴电流对轴承以及密封件造成损害的?法是：在端盖、壳体与轴之间构建等电势体。?前?企经常采?以下零部件来构建等电势体：接地电刷、碳刷式接地环、毛刷式接地环、双油密封导电环、导电密封圈轴承、导电油脂轴承以及弹簧顶针。各零部件的安装位置、优缺点及其应?案例将在下?进?具体介绍。78036AEA-4B0D-4B76-987E-68215031F08D

接地碳刷可以直接安装到电机端盖上，其中碳刷部分是抵到电机轴上。当接地碳刷可靠接地，并且其与转轴可靠接触情况下，可以有效降低轴电位[18]。此法保证转轴电位趋近零电位，防?电机转轴形成悬浮电位，电荷通过接地点释放到?地，使轴上?法积累?量电荷，从而消除轴电压带来的影响[19]。

采?接地碳刷优点为：成本较低（单价约为30元），容易实现。但当碳刷磨损时，会产?许多碳粉，若接地碳刷装在电机内部，碳粉可能会影响电机?隙，进而影响到电机的性能。?前，?陆集团（Continental）旗下的产品中多采?接地碳刷这种?案。

b.为了减少轴电流对电机轴承的使?寿命造成的破坏性，也可以安装碳刷式接地环。

该?案的内部具体结构如图2b所?[20]。其中??的碳刷部分（部分1）与电机轴过盈配合，?属部分（部分2）直接安装在电机壳体上，这两部分组合后?同形成等势体接地。采?碳刷式接地环的优点是：成本中等，有很?的耐磨性。使?时有些许碳粉产?，如果进?电机?隙的碳粉积累到?定量，也会影响到电机的性能。但是如果有?够的安装空间，碳刷式接地环也可以根据安装的位置避免产?的碳粉进?定转??隙。?前，?企中宝?（ B M W）与?产（Nissan）这些公司旗下的产品多采?碳刷式接地环。

c.为了避免碳刷磨损时产?的影响电机性能的碳粉，?些?企安装毛刷式接地环（图2c）。毛刷料?般选?聚丙烯烃类和聚酰胺中的?种耐腐蚀，耐?温，耐?化的优质材料[21]。

毛刷式接地环的优点为：安装简单，?碳粉产?，有免维护性的特点，其缺点是：价格稍?，其单价为100～300元??币不等。?前，特斯拉（Tesla）、宝?（BMW，主要是I3以及I8系列）、捷豹（J A G U A R）、现代（H Y U N D A I）、本?（Honda）、精进、?洋、时代电?（株洲）等，这些?企公司旗下的产品多采?毛刷式接地环。

d.为了实现电机轴与端盖之间形成等电势结构，可以安装双油封导电环。具体结构如图3a所?[22]，该结构是在导电环与两侧油封间隙中添加导电油脂，并通过双油封密封，因为导电油脂能够增加油封寿命。其缺点是油封室的圆柱度以及油封室与轴承室的同轴度要求?，设计安装相对?较复杂。

e.为了减少因轴电流带来的电蚀效果的危害，舍弗勒集团（Schaeffler Group）采?过的导电密封圈轴承和导电润滑脂轴承这两种样件的导电轴承?案[23]。其中，在导电密封圈轴承的密封圈中加导电材料使得密封圈与轴承均能导电，从而与端盖和壳体形成等电势结构。其优点是成本相对较低，仅略贵于普通轴承;其缺点就是对于遏制在IGBT处于超?频率?况运?时产?的轴电流的效果有待验证，技术仍未?常成熟。在另?种导电润滑脂轴承中，不需要增加辅助结构，成本也较低。其缺点是对于通过3A以上的轴电流改善效果不明显，且寿命偏短。此外，整??驶3～5 km后?作不稳定，效果需要等待市场验证。该导电轴承结构如图3b所?。

f.另?种?于整?电机的轴电流消除结构是使?弹簧顶针，具体结构如图3c中所?。在电机后盖处，其上可设置顶针固定座。顶针固定座与旋变盖板连接，固定座中设有弹簧和顶针。顶针被固定在螺钉槽内，处于电机转轴的中轴线上，并且能够沿着电机轴的轴向伸缩。

弹簧能补偿顶针?时间?作引起的磨损量。顶针伸?旋变盖凹部并与电机转轴接触，在电机转轴上形成的轴电流通过顶针传递?零电位的电机后盖，从而实现轴电流的传递消除[24]。

该?案优点是：结构相对简单，轴电流的导通效果良好，且制作成本相对较低;缺点为顶针?时间?作后，容易出现磨损，使?寿命不?。

3 ?种?案对?讨论

本??先分析了整?驱动电机轴电流的产?机理和危害，进而研究了消除轴电流危害的两?类措施，即：阻断轴电流回路法以及构建端盖、壳体与轴等电势体法。研究?作由吉利汽?研究院（Geely Automobile ResearchInstitute）和?连理??学宁波研究院（Ningbo ResearchInstitute，Dalian University of Technology）牵头，经过对?量市场上现有的电机轴电流预防措施的采集分析，形成了?个详细结果。

针对各个?案在成本、导电性、可靠性、耐磨性以及供应商应?案例的对?，团队专家成员根据研究院内建?的评分标准体系对每个措施?案进?了1～10分的评分。分数越?，就说明产品?案在市场的竞争?越强。每个?案的评分结果详?表1、表2。

表1展?的是阻断轴电流回路法中市场上常?的三个?案。三者均是绝缘性较好的?案，皆可在电机内部阻断轴电流，防?形成回路。

综合成本、可靠性、耐磨损程度这三?度的考量，?前最适合?企采?的?案是内外圈涂层轴承和在电机端盖处使?绝缘板。虽然陶瓷球轴承没有电腐蚀?险，但是其在成本上要?出另外两者太多，以?于鲜有?企坚持采?该?案。表2展?的是市场上常?的构建等势体的主流?案。這些?案的导电性表现优秀，主要是为了在电机端盖、壳体与电机轴之间形成等势?，最终使得轴电流接地。

综合成本、可靠性、耐磨损程度三个?度的考量，?前?较适合?企采?的?案是接地碳刷、碳刷式接地环以及毛刷式接地环。这?种?案技术成熟，容易安装，已应?在许多国内外?企中。导电密封圈和导电油脂轴承?案正在开发中，技术还未成熟，可靠性不?，因此未?量配置于量产?型中。除此之外，双油封导电环?案对于安装环境和安装精度要求颇?，弹簧顶针?案极易出现??积磨损。因此，在?企中这两种?案也不被?量采?。

4 结语

为了降低轴电流对电机轴?以及其他?低压零部件带来的电、烧蚀损害，延?电机的使?寿命，本?介绍了?前市场上电机轴电流预防措施的最新研究进展。阻断轴电流回路?案和构建端盖、壳体与轴等电势体?案均能有效减少轴电流带来的危害。在成本??，采?阻断电流回路?案总体优于构建等电势体?案，尤其是其中采?陶瓷球轴承的措施，但由于其价格过于昂贵，?前该措施已经?渐淡出市场。78036AEA-4B0D-4B76-987E-68215031F08D

在耐磨损度和可靠性上，采?构建等电势体?案表现更加出?。尤其是其中的毛刷式接地环，安装结构简单，?磨损带来的碳粉?成，可直接免去后期维护。?于舍弗勒和Klueber公司正在开发的导电密封圈轴承和导电油脂轴承作为?种新型预防轴电流的措施，是汽?零部件领域中?个?分重要的前沿技术。

电机轴电流预防领域的下?步是探索能够承受更?轴电流的技术?案，延?电机使?寿命，提?可靠性，同时不断优化?艺路线，推动?性能电机的产业化发展和更新换代。

参考?献：

[ 1 ] S t e p h a n ， D e m m e r e r.?向未来的电驱动技术[ J ] .汽?制造业，2020（11）：26-27.

[2] 周正弟.轴电流的防治安全技术措施研究与分析[J].海峡科技与产业，2018（7）：57-59.

[3] 万健如，孙洋建，禹华军.PWM脉冲作?下电机轴电流产?机理分析[J].电?系统?动化， 2003 （18）： 22-25.

[4] 卢家慧.电动机转?轴电压的监测?法研究[D].上海：上海交通?学， 2016.

[5] ?葳，李树科.发电机轴电流的危害及防范措施[J].电机技术，2004（4）： 28-29.

[6] 柴永?.对电动机轴电流的分析及防范[J].云南电?技术， 2001（3）：22-23.

[7] 吴?贵.浅谈变频器对?电系统轴电压和轴电流的影响[J].电?制作，2015（5）：42.

[8] 董开松，李臻，?喜平，等.变频器对?电系统轴电压和轴电流的影响[J].电源技术，2014， 38（11）：2116-2118+2129.

[9] 任雪娇.交流电机?频轴电流模型及轴承放电击穿机理的研究[D].北京：北京交通?学，2019.