電機軸承產生電蝕損傷的機理

電機軸承產生電蝕損傷的機理

電機軸承的電蝕問題已經存在了幾十年，其可以在沒有變速驅動( VSD)的交流電動機和直流電動機中發生。隨著20世紀90年代變頻電動機的出現，軸承電蝕損傷出現了顯著性的增長。

在所有類型的電動機中，非對稱且無屏蔽的電纜(圖1)或電動機中磁通不對稱都可形成雜散電流。如果轉子不在定子中心或定子繞組不對稱，均會產生交變的磁通。定子中產生的循環通量給轉子提供了對稱和不對稱狀態交替變化的磁通。磁通量的變化產生了軸向電壓，其頻率可與通量頻率一樣，也可為通量頻率的多倍。軸向電壓導致低頻循環電流流經軸承。通量不對稱的經典問題在較大尺寸的兩極電動機上更加復雜。這些大型電動機本來就比小型的多級電動機(圖2)產生更大的通量不對稱。

變頻電動機依靠變頻器來運行，變頻器是電動機的重要組件之一，因為其簡化設計且控制可變速率，降低能耗且支持高速設計。然而，由于在變頻器中使用了可進行功率轉換的半導體，變頻器在軸承中造成的電損傷也在增加，功率轉換半導體是一個門極可關斷晶閘管，但在當今市場上已被絕緣柵雙極型晶體管( IGBT)取代。

絕緣柵雙極型晶體管被用于創建脈沖寬度調制(PWM)輸出電壓波形，特征是在電動機中快速轉換以及在轉換器輸出中電壓可快速上升到8 kV，這提高了驅動器的效率和動態性能。使用PWM變頻器的副作用是快速轉換( 100 ns)引起的高頻(HF)電流現象。PWM變頻器是固有的共模電壓和陡前沿脈沖(快速電壓轉換)引起各種高頻交流電的源頭。快速轉換引發的高頻(5 kHz ~ 10MHz)電流造成了軸承損傷。

對于變頻器供電電動機，快速轉換引起的問題有：1)高頻軸接地電流；2)高頻循環電流；3)電容放電電流。

由于三相電壓之和不等于0(圖3)而導致變頻器輸出的共模電壓是前2類電流產生的原因。第3類電流由變頻器試圖仿真一個由PWM信號提供的正弦波而產生，該信號具有高頻整流和快速轉換(陡前沿脈沖)。滾動體和套圈的接觸形成一個電容器。快速轉換引起電容放電電流。

1.1高頻軸接地電流

保護接地電壓，類似問題出現在較高頻率的較差電纜上,是變頻器輸出共模電壓的結果。如果回流電纜的阻抗太高且定子接地差,那么電流就會走定子的路徑，穿過軸承，通過軸到驅動機械的地面(圖4)。

1.2高頻循環電流

在定子繞組的三相之間，共模干擾產生不對稱電流，圍繞定子周圍的電流總和不為0。圍繞軸的高頻流變化產生了高頻軸電壓。因此,軸向流動的電流很危險,該電流可穿過轉子軸、軸承、定子以及后面的其他軸承(圖5)。

1.3電容放電

潤滑膜將滾動軸承中的滾動體與套圈分隔開。被轉子及高頻電流充電成電介質的潤滑膜形成了電容器，電容量取決于幾個潤滑參數，包括增稠劑、潤滑油類型、潤滑膜厚度、工作溫度和潤滑劑黏度。當電壓達到潤滑劑擊穿電壓的界限，電容器就會放電并產生高頻電流。電動機轉換的每個瞬間都會出現放電現象(圖6)。