变频高压电动轴承防轴电流措施研究Word文件下载.docx
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1高压变频电机轴电压和轴电流问题的种类和形成原因
电机运行时，轴承两端之间产生的电位差称之为“轴电压”，该电压加在由电机转轴、轴承、端盖、机座构成的回路中，从而引起了轴承电流（该电流也可能通过联轴器传递至传动机械）。
轴承电流一般存在3种不同的形式：
环路电流、dV／dt电流和EDM（electricaldischargemachining）电流。
这3种不同的形式可以单独出现，也可以同时出现。
图1
图2
（1）、环路电流
正弦波驱动的电机系统中电机的轴承电流是由于磁路不对称造成的（如电机的材料或结构上的不对称、气隙不均匀等）。
不对称的磁路会在磁轭产生环形交流磁通（环状磁通），从而产生交流感应电压。
当感应电压破坏轴承润滑剂的绝缘能力时，就会有电流流过此回路。
流经途径为导电的电机轴、机壳、轴承沟道、滚动体等。
图2为环路电流可能流经的各部分零部件所组成的通路。
PWM逆变器中，由于电路、元器件、连接和回路阻抗的不平衡，电源电压将不可避免的产生零点漂移，从而产生高频的共模电压。
由于寄生电容Cwr的存在，在电机轴上会形成轴电压Vshaft。
由于电机端输入的是PWM脉冲电压，这些脉冲序列电压耦合到电机轴上会得到交变轴电压，经过轴承电容流到大地，从而产生形成dV／dt轴承电流。
dV／dt电流一般只有0.1～0.15A，主要为高频分量，对轴承影响很小，主要是持续不断地腐蚀着轴承上的润滑剂，最后造成电介质击穿。
第3种形式的轴承电流是由内外圈的间隙（包括油膜）电容放电引起的轴承电流，又叫EDM电流。
在正常情况下，由于润滑油膜的作用，电机轴承呈现较高的阻抗，这些能量找不到途径来释放，但是当滚柱接触轴承沟道时，或者当轴电压Vshaft高于润滑油膜的击穿电压，造成润滑油层击穿时，就会呈现较低的阻抗，积聚在间隙电容上的能量通过轴承进行放电，形成轴承电流。
这个放电电流通常比dV／dt电流大得多，严重时会在轴承内形成电弧。
这种形式的轴承电流对电机轴承造成危害最大的电流形式。
在一般文献中，还有一种转轴接地电流，即认为泄漏到定子机座中的电流需要回到它产生的源头——变频器中。
任何回流的路线都包括阻抗，因此与地电平相比机座电位更高。
如果电动机转轴经传动机械接地，那么电动机轴承将承受机座施加的电压。
如果该电压的施加超过了油脂润滑膜的绝缘能力，那么就会有部分电流流经轴承、转轴和传动机械再返回至变频器。
这种电流可以认为综合了dV／dt电流和EDM电流等多种轴承电流的类型。
2高压变频电机轴电压和轴电流问题的重要性
根据资料显示，一般认为超过400kW（也有部分资料认为超过100kW）的电机应考虑轴电压和轴电流的保护措施。
据测试，1200kW的高压电机负载时的轴电压可以超过2.6V，而美国NEMAMG1（2006）规定，轴电压峰值大于300mV需要采取绝缘措施。
对于中小功率电机，其轴电压与轴电流的危害较小，一般不做特别处理。
而对于高压变频电机，功率一般较大，与小功率电机相比在轴承两端存在较显著的轴电压——由于高压变频电机的磁路不对称程度大、大功率变频电源的高频共模电压以及大型的轴承内外圈的间隙（包括油膜）电容放电等不同原因，引起了不同形式的轴承电流。
因此，研究轴承电压和轴承电流的存在机理和抑制技术，将不仅仅是对于高压变频电机研制很重要，还将启发对其他类似电机的研发和应用。
3高压变频电机轴电压和轴电流问题的难点
目前在大型同步电机中有对轴电压的测试方法，也有一些资料显示对轴电压的试验结果；
但到目前为止，还没有经过很好验证的轴电流试验方法。
在国家标准《变频器供电三相笼型感应电动机实验方法》中，提供了相应的轴电流测试方法，但高压变频电机轴电压和轴电流的数量等级、存在形式、对轴承绝缘的要求等还需要进一步的试验验证工作才能确定。
（1）、国家标准《变频器供电三相笼型感应电动机实验方法》中轴电压的测试方法
图5-4
图4为国家标准《变频器供电三相笼型感应电动机试验方法》中推荐的轴电压的测试方法，根据该标准的规定，试验方法为：
在电动机轴承与机壳之间加装绝缘环或者使用绝缘轴承，确保电动机轴承绝缘良好；
被试电机在额定电压、额定频率下空载运行，用高内阻的毫伏表测量轴电压U1，然后将另一端接地，测量电压U2；
取消接地线后，测量轴承电压U3。
（2）、国家标准《变频器供电三相笼型感应电动机实验方法》中轴电流的测试方法
图5
图5为国家标准《变频器供电三相笼型感应电动机实验方法》中推荐的轴电流的测试方法，根据该标准的规定，试验方法为：
将电流表串联到轴承绝缘层两面接触的金属零部件上；
分别在额定电压、额定频率和最高工作频率下空载运行，测量轴承电流值。
4高压变频电机轴电压和轴电流问题的解决方案
目前已知的轴承绝缘方法有很多，如直接采用绝缘轴承、对转轴绝缘以及采用电刷装置短路等，下表是对目前已知的一些轴承绝缘处理措施及效果的对比：
表2一些轴承绝缘处理措施及效果的对比
对策
电流类型
附加说明
环路电流
dv/dt电流
（轴对地电流）
EDM电流（电容性放电电流）
1．非传动端轴承绝缘或陶瓷层滚子
有效
无效；
仅保护一个轴承
非传动端已绝缘，不需要绝缘的联轴器
2．两端轴承均绝缘或陶瓷层滚子
有效；
对此类电流一个轴承绝缘已够
小机座号大多有效，大机座号很少用
3．两端轴承均绝缘或陶瓷层滚子，再用绝缘联轴器和转轴通过电刷接触
大多有效（特别是对大电机），避免损坏负载机械，需要维修
4．非传动端轴承绝缘，传动端用刷接地
对此类电流不需要电刷，非传动端装转速计需保护
不保护负载机械轴承
电刷接触阻抗要小
需要维修，大机座号常用。
传动端用电刷可不用绝缘的联轴器
5．用一电刷接地，轴承不绝缘
需要维修
6．两端用两电刷接地，轴承不绝缘
7．低电阻润滑油和/或石磨填充地轴承密封
稍有效
取决材料状况
无长期运行经验，降低润滑效果
8．共模电压滤波器
降低高频电压也可降低低频电流
滤波器安装在变频器输出侧，可以大大降低共模电压
9．联轴器绝缘
无效
非常有效
也可防止损坏负载机械
10．机座与负载机械联接
从对比的结果来看，一些方法的缺点也很明显，不是成本太高、就是工艺复杂或维护困难，对此的解决方案将从测试轴电压和轴电流的方法入手，研制成本合理、工艺简单、不需要维护的轴承绝缘结构。
5高压变频电机轴电压和轴电流问题的解决方案初探
对于高压变频电机，轴电压是不可避免存在的，但轴承破坏的结果却是由轴电流的产生所引起的，因此应把重点放在轴承的绝缘上，从而避免引起轴承电流带来的损害入手。
从目前所依据的国家标准《变频器供电三相笼型感应电动机实验方法》来看，都需要在电动机轴承与机壳之间加装绝缘环或者使用绝缘轴承，确保电动机轴承绝缘良好。
高压电机有滑动轴承和滚动轴承两种结构，其中滑动轴承比较容易进行绝缘，这种技术已经成熟，目前应用的比较普遍，并且成本也不高，而滚动轴承要进行绝缘比较复杂，甚至成本增加很多。
为了得到高压变频电机轴电压和轴电流的测试结果，以便对高压变频电机的轴承绝缘特性要求提供相应依据，首先应对电机转轴和端盖（机座）间进行绝缘，也就是对轴承的外圈和端盖之间进行绝缘。
由于轴承的外圈和端盖（轴承盖）之间存在三个接触面，因此在对此部分绝缘时，应考虑三个接触面都要绝缘。
图6图-7
图5-6为采用轴承座绝缘的典型结构，图5-7为采用绝缘板固定于轴承室的绝缘结构，两种结构都存在定位精度不高和装配工艺复杂等缺点。
新设计的“门”型、带有特殊涂层的轴承绝缘套，如图7，在与轴承内盖与绝缘套间垫绝缘环板，这样就解决了轴承的外圈和端盖（轴承盖）之间的三个接触面绝缘问题。
并且螺栓的固定等完全不会影响绝缘效果。
该轴承绝缘结构具有很多优点：
图5-8新设计的轴承绝缘套结构
由于该绝缘套带有绝缘涂层，为了在加工过程中不破坏该涂层（该涂层的绝缘特性对轴承绝缘的保护至关重要），其与端盖的配合采用热套方法（已通过工艺验证试验验证热套工艺的可行性和公差范围的合理性）。
图9
绝缘套的结构见图9：
图10
各零件之间的尺寸配合见表3：
表3轴承绝缘改进结构各零件之间的尺寸配合
零部件名称
毛胚外径
毛胚内径
内径加工后
基本
尺寸
极限
偏差
绝缘套
211.08
197
±
0.1
200
端盖
轴承室
－
211
其中，绝缘套外径不再加工，绝缘套内径与端盖热套后需要加工，端盖轴承室内径加工后与绝缘套外径对应。
（3）、新设计的的轴承室绝缘结构热套工艺
为保证绝缘套能够顺利的放入端盖轴承腔室，对绝缘套采用低温冷冻方式冷缩，对端盖采用加热方式使其膨胀，放入绝缘套后，慢慢回至室温，再做相应加工。
表4新设计的轴承室绝缘结构热套工艺
步骤
工艺名称
工艺过程及要求
1
绝缘套的外观和绝缘特性检查
绝缘套需经过外观检查，涂层均匀光滑、无气泡、漏点等缺陷，测量并记录绝缘套外径尺寸，用500V兆欧表测量绝缘套内外圆之间的绝缘电阻，应保证不低于10MΩ。
2
绝缘套的冷处理
将绝缘套放入低温冷冻箱（亦可采用冰箱冷冻室），温度低于－18℃，保持4h以上。
3
端盖的热处理
将端盖放入烘箱，温度控制在150～180℃，保持2h以上。
4
绝缘套与端盖热套
将低温冷冻后的绝缘套从冷冻箱取出，量取并记录外内径等尺寸，待用。
将加热后的端盖从烘箱取出，量取并记录轴承室内径等尺寸，待用。
将绝缘套对正端盖轴承室，轻放入，必要时可用非金属材料的工件轻轻敲击，使绝缘套放在端盖轴承室底部。
此时，绝缘套应可在端盖轴承室内能左右转动。
5
冷却
在自然冷却条件下，将套好绝缘套的端盖放置3～4小时，用红外线温度测量仪测量绝缘套和端盖的温度，与室温的差值应在＋5℃以内。
6
绝缘性能测试
用500V兆欧表测量端盖轴承室外沿与绝缘套内圆的绝缘电阻，应保证不低于10MΩ。
因绝缘套外圆不能加工，因此端盖轴承室内径的加工尺寸应配车，以保证端盖轴承室内径尺寸与绝缘套外圆处于相应公差带范围内。
当套好绝缘套的端盖冷却较慢时，在自然冷却条件下放置2小时以上，可以用风扇对其加速冷却。
6新设计的的轴承室绝缘结构热套工艺验证过程
端盖轴承室内径的加工尺寸配车，经测量，绝缘套与端盖相关实际尺寸与要求尺寸对比见表-5：
表-5实际尺寸与要求尺寸对比表
基本尺寸
极限偏差
要求外径尺寸
实际外径尺寸
要求内径尺寸
实际内径尺寸
可见，因涂好涂层的绝缘套尺寸略大于图纸要求，因此对端盖进行了配车，尺寸及公差合理。
★热套过程
对绝缘轴承套采用低温冷冻的方法保持－18℃已经过12小时，然后将端盖整体放入烘箱，在180℃下经过2小时预热，取出后端盖温度为155℃左右，直接将绝缘套放入端盖轴承腔室，放入时简单敲击即可进入，放入后绝缘套可以自由转动，在自然冷却3小时后，测量整体温度基本与室温相同，绝缘套涨紧后与端盖无相对滑动时，量相关尺寸，满足图纸要求。
★绝缘特性测试
用500V兆欧表测量端盖轴承室外沿与绝缘套内圆的绝缘电阻，实际大于500MΩ（指针位于500MΩ与∞之间，并接近∞）。
★热套过程图片
图片说明：
左图为冷冻后的绝缘套放入加热后的端盖，可轻轻转动。
右图为自然冷却后联为一体的零部件，绝缘套涨紧后与端盖已无法相对滑动。
图5-11图5-12
结论:
经过实际验证，绝缘套与端盖热套工艺验证结果表明：
尺寸设计合理，热套工艺方法简单可行，效果较好。
新设计的新轴承室绝缘结构的优点
★绝缘效果好：
用500V兆欧表测量端盖轴承室外沿与绝缘套内圆的绝缘电阻，测量值大于500MΩ（指针位于500MΩ与∞之间，并接近∞），可见，采用该措施后绝缘效果非常理想。
★工艺简单：
绝缘轴承套仅需采用低温冷冻后将端盖整体放入烘箱预热，直接放入端盖轴承腔室，简单敲击进入即可。
整个工艺过程非常简单，图10为绝缘套加热后放入端盖时，可以在端盖轴承室腔内自由转动，安装简单易行。
图11为冷却后的实物，绝缘套与端盖结合紧密，无相对滑动。
★维护、修理相对简单：
本结构的绝缘涂层可以承受高温，嵌入后无相对滑动，使用后不易损坏；
而且绝缘套的采用钢材料制作，受力后不易变形，因此使用中基本不需要维护。
★相关模具改动小：
该轴承室绝缘结构在设计上尽量避免对已经开列的模具的改动、或设计上的改动对模具的影响极小。
这主要是为了降低高压变频三相异步电动机的试制成本。
7高压变频电机轴电压和轴承电流试验测试
为了验证轴电压、轴承电流测试方法可行性及轴电压、轴承电流机理和特性进行研究，开展了轴电压、轴承电流试验测试工作。
由于开展相关试验必须在已经安装有绝缘轴承套的前提下、但还要将轴承套两端进行人为短接，因此在已经安装好绝缘套的样机上打孔，将测量线顶入绝缘套两端部分，用示波器进行了试验。
试验设备
电源：
工频、变频器分别供电进行测试和研究。
电机：
功率，132kW；
机座号：
315mm；
极数，4p
测量仪器：
高频示波器、高内阻电流、电压测量表、电源质量分析仪、高压、高频探头等测量、分析仪器。
试验结论
分别在不同电源频率、电压上升时间及易出现轴承电流情况下开展轴电压和轴承电流测试实验。
图13、14为电压380V，分别在60Hz、50Hz变频供电供电和50Hz电源供电情况下的轴电压和轴承电流情况。
由图中可以看出，采用绝缘后的电机在工频情况下轴电压和轴承电流都在容许范围内。
当变频器供电时逆变器载波频率、脉冲电压、电压峰值对轴电压和轴承电流都有一定影响。
ⅰ.轴电压的大小直接影响到EDM的大小，与逆变器载波频率和脉冲电压上升时间无关，只与电压峰值有关。
ⅱ.dv/dt电流受脉冲电压上升时间影响。
图13.60Hz变频供电、50Hz变频供电、50Hz电源供电时的轴电压
图14.60Hz变频供电、50Hz变频供电、50Hz电源供电时轴承电流
通过该实验进一步验证了轴电压和轴承电流测试方法具有较强的操作性，轴电流的抑制结构效果良好，为轴承电流研究和防护技术的发展提供了有效的实验依据。
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