导电油脂对轴承电压影响的研究_石鸿佼.pdf

（）年第期第卷（总第期）导电油脂对轴承电压影响的研究石鸿佼（株洲中车 时代电气股份有限公司，湖南株洲）摘要轴承电腐蚀一直是电机需要克服的难题，特别是对于乘用车用永磁同步电机，由于控制技术的应用，直流母线电压平台和控制器开关频率的提高，使得电机发生轴承电腐蚀的风险越来越大。现结合理论分析和实验验证，对导电油脂如何影响轴承电压进行分析，以及导电油脂对轴承电腐蚀的抑制效果进行可靠性验证。研究发现：导电油 脂对轴承电压的峰峰值影响较小，但能够降低轴承电压的平均值，使得轴承发生电腐蚀的概率降低，从而抑制轴承电腐蚀。以上研究具有工程实用性，可以应用并指导电机设计。关键词永磁同步电机；轴承电腐蚀；轴承电压；导电油脂：中图分类 号：文献标识码：文章编号：（）（，），？，？，？，？，；引言对于变频技术控制的乘用车用永磁同步电机而言，轴承电腐蚀一直是需要克服的难题。较为严重的轴承电腐蚀会在轴承的滚动体、滚道等 表面发生点蚀，长时间运行会产生凹坑，甚至形成搓衣板纹路，严 重影响轴承的使用寿命和电机的可靠运行。对于判断轴承是否发生电腐蚀的一个重要特征为轴承内外圈之间电压的大小，即轴承电压。当轴承电压过高，超过轴承内润滑油膜所能承受的电压阈值，将产生击穿放电（电火花加工，）。乘用车用永磁同步电机的共模电压峰峰值与整车电池的直流母线电压相等，而共模电机与轴承电压呈正相关。随着整车电池的高压化以及控制器升压功能的应用，电机轴承电压也越来越高，意味着轴承发生电腐蚀的概率也会增大。本文以乘用车用永磁同步驱动电机为研究载体，通过理论分析与实验验证的方式，分析在轴承中添加导电油脂对轴承电压的影响，为抑制电机的轴承电腐蚀提供参考，具有较强的工程指导意义。变频系统共模等效电路变频控制系统，是依据一定的控制策略，输出一系列幅值相等、宽度不同的方波脉冲。对于采用两电平三相全桥变频驱动系统而言，用 年第期第卷（总第期）（）。、心）、？。表不控制器输出端或电机绕组端对地的三相相电压，表示直流母线电压的幅值，共模电压匕？公式表示如下（）为阶梯状的波形，如图所示图两电平三相全桥变频驱动系统的共模电压对于永磁同步电机而言，电机的定子铁心与机壳、端盖、轴承的外圈等可视为同一电势，电机的转轴、转子铁心、轴承内圈可视也 为同一电势，电机的定子绕组与以上两个电势均存在电势差。将整个电机的电路经过简化，如图所示。图中为定子绕组与转子铁心之间的耦合电容，为电机定子绕组与定子铁心的耦合电容，为定子铁心与转子铁心耦合电容。当 电机轴承的油膜完整时，电机轴承在整个电路中可以等效成一个电容为传动端轴承内外圈 的等效电容，为非传动端轴承内外圈 的等效电容。当轴承内外圈电势差累计到一定值，超出了油膜的阈值时，油膜发生击穿。此时轴承等效为开关或关闭，瞬间大的轴承电流从电阻经过，即从轴承滚珠与滚道之间有大电流经过，产生电火花加工的效果。图电机共模等效电路图控制器输出的共模电压施加在电机定子绕组上，在轴承上感应出来的 电压与共模电压的比值可以用如下公式来表示在电机结构确定后，不考虑轴承放电，且油膜厚度不变的情况下，电机的轴承电压与共模电机的比值为确定值。共模电压为阶梯形状，轴承电压为也阶梯形状。将整个电机视为一个整体，单独去看电机轴承电压，可以用电压源表示，等效电路如图所示。图轴承电压等效电路实验对象及平台导电油脂介绍导电轴承润滑油脂与普通的轴承润滑油脂相比，其中添加了导电粒子，使得润滑油脂的导电性能提高。在本文中使用的导电油脂，为克鲁勃润滑剂（上海）有 限公司的产品，产品型号为，该润滑脂是通过添加剂的优化使用（基于离子液体），使得润滑剂的导电性能提高，获得类似于半导体的 电阻特性。实验对象为了研究导电油脂对轴承电压的影响，本文中以某款乘用车用永磁同步驱动电机为实验对象，该电机峰值功率，峰值转矩，电机最高转速。选择两台相同的电机为实验对象，其中一台电机轴承为普通油脂轴承，另一台电机轴承为导电油 脂轴承，轴承的形状尺寸相同，都为两面带防尘盖的深沟球轴承。其中传动端轴承为型号，非传动端轴承为。实验装置介绍轴承电压和共模电压测试原理如图所示。将碳刷与转轴接触，检测碳刷与机壳（地）的 电压，及为轴承电压，测试现场如图所示。为了避免台架上与电机转轴连接的其他轴承系统引入，将电机的驱动端转轴进行绝缘处理，将电机的转子轴承与台架的轴承进行隔开，保证测试时轴承电压仅为电机本身。因为电机中心点在电机定子绕组内部，无法单独引出，在电机三相线接入点分别接入大电容，将三个电容连着一起模拟出中心刖轴承 （）图共模电压和轴承电压测试示意图图轴承电压测试图共模电压测试实验结果分析普通油脂的轴承电压测试结果 （）？：）？￥（）图普通油脂的轴承电压与 共模电压当轴承电压波形完整时，轴承电压与轴承电机的波形基本 相同，幅值不同。分别测试、电压下，不同转速和转矩下的轴承电压和共模电压，实验结果如表所示。表普通油脂轴承的轴承电压和共模电压直流母线 电压（）（）（）（）（）（）（）轴承电压峰峰值；共模电压峰峰值。其中在电压下，个别工况点下轴承电压存在明显的放电现象，波形与共模电 电压波形无法吻合。其他工况下，共模电压与轴承电压的比值约为。点，测试中心点与机壳（地）的电压，即为共模电压，测试现场如图所示。通过高压差分探头将轴承电压和共模电压电压连接到示波器上，同时显示轴承电压和共模电压的波形。对于普通油脂轴承的 电机，其轴承电压和共模电压检测的结构如图所示共模电压，测试点相线（）年第期第卷（总第期）驱动端 年第期第卷（总第期）（）导电油脂的轴承电压测试结果导电油 脂轴承测得轴承电压波形如图所示。（）轴承电压共模电压 （）（）下，不同转速和转矩下的轴承电压峰峰值和共模电压，实验结果如表所示。从表、表中可以统计分析可知，导电油脂的轴承电压的峰峰值与普通油脂的轴承电压峰峰值基本相同，共模电压与轴承电压的峰峰值的比值都约为。通过与普通油脂的轴承电压进行对比，可以发现导电油脂的轴承电压波形有如下特征：特征：轴承电压的跳跃变化与共模电压的变化相关，即共模电压发生变化时，轴承电压也发生跳跃变化，这点与普通油脂轴承相似。特征：轴承电压除了有跳跃变化，还有缓慢变化过程，当共模电压在某一时间段维持不变时，轴承电压缓慢向点靠近。特征：轴承电压的正负值与共模电压的变化和维持时间相关。如图中点处，共模电压为正，而轴承电压为负；点处，共模电压为正，而轴承电压为正；点处共模电压为正，轴承电压为。图导电油脂轴承的轴承电压与共模电压图 导电 油脂的分别 测试、电压轴承电压与 共模电压测试结 果表导电 油脂轴承的轴承电压和共模电压直流母线 电压（）（）（），（）（）（）（）（）轴承电压峰峰值；共模电压峰峰值。导电油脂对轴承电压影响的等效电路因为导电油脂仅存在轴承内部，对图电机的其他电容没有影响，共模电压依然能够在轴承内外圈感应出 电压，特征也验证了这点。从特征中，推测可能存在一个电压与共模电压感应的轴承电压相互抵消，且该电压变化与 时间相关。从其变化的特征分析，与电容的充放电波形类似，假设存在电容，其电压为（。最终检测的轴承电压为两种差 值，设定为（）。根据以上推理，对导电油 脂的轴承电压电路（）年第期第卷（总第期）进行重新布置，得到图。（图导电油脂轴承电压等效电路图为了便于分析，假设共模电压感应的轴承电压为阶段的波形，跳跃变化的时间 间隔相同，都为其电压波形如图（）所示。分析种轴承电压的波形。（）在时 间。内，的变化值小于。（的变化如图（），测得轴承电压的变化如图（）所示，轴承电压峰峰值。时间。内，（）的变化值等于。，（）的变化如图（），测得轴承电压（的变化如图（）所示，轴承电压峰峰值。（）时间内，的变化值大于。（的变化如图（），测得轴承电压的变化如图（）所示，轴承电压峰峰值。以上的分析结果能够解释特征中轴承电压正负与共模电压的关系。？（）仏（）卜？：？：“，（）图导电 油脂轴承电压与共模电压的关系示意图通过以上分析，与普通油脂的轴承电压相比，导电油脂的轴承电压的峰峰值降低并不 明显，但是轴承电压整体是向靠近，轴承电压平均电压降低，轴承发生电腐蚀的概率也相应会降低。导电油脂对轴承电压影响的定性分析以在时间内，（的变化值大于的情况为分析对象，共模电压感应的轴承电压为阶段的波形，跳跃变化的时间 间隔相同，为。，如图（）所示。设定外圈指向内圈电压正方向，感应轴承电压为电压源，当内圈 电势高于外圈时，为为正；对应导电油脂电压，（而言，当内圈电势低于外圈时，匕（为正。？。时刻，轴承内的导电油脂中正负离子分布状态是无序，对外呈现电压（。此时轴承的内外圈感应出的轴承电压为，检测到的轴承电压。在的作用 下，导电油脂中正离子向 内 年第期第卷（总第期）（）圈运动，负离子向外圈运动，正负离子在导电油脂内部不再是无序分布，而整体表现电势差为（不再为，方向为负，以平 衡轴承电压，如图（）所示。检测到的轴承电压为匕）。随着时间的变长，（）会趋于。此处设定当？。时，；。当专，以由变化。；）由变化。当时刻 时，感 应的轴承电压，（，此时在作用下，导电油脂的正离子向外圈运行，负离子向 内圈运行，如图（）所示。当？。，（由变化。由变化当。时 刻时，感应的轴承电压，（，此时在作用下，导电油脂的正离子向外圈运行，负离子向内圏运行。当。由变化，由变化存在对时刻，（气？。），（。在对。，如图（）所示当。，感应的轴承电压，此时在作用下，导电油脂的正离子向外圈运行，负离子向内圈运行。当。，（）由变化。由变化。在对。幻。，如图（）所示。当？。，感应的轴承电压，（；，（），此时在作用下，导电油脂的正离子向内圏运行，负离子向外圈运行。如图（）所示。当，（由变化。有变化。当？。，感应的轴承电压，匕（，此时在，作用下，导电油脂的正离子向内圈运行，负离子向外圈运行。当。，由变化。，由变化。存在外。时亥，（。），（。在。幻。，如图（）所示。当。，感应的轴承电压，（），此时在（作用下，导电油脂的正离子向 内圈运行，负离子向外圈运行。当。，由变化。由变化。在外。幻？。，所图（）所示。当。，感应的轴承电压（），此 时在作用下，导电油脂的正离子向外圈运行，负离子向 内圈运行，进行下一个循环。外圈外圈卜，）内圈内圈（）（）外圈外圈州，（）（）￥内圈内圈（）（）外圈肀厶肀各）（）内圈内圈（）（）外圈内圈（）图导电 油脂内正负离子运动示意图（）年第期第卷（总第期）导电 油脂对轴承电腐蚀的影响为了验证导电油 脂对电机轴承电腐蚀的效果，分别对普通油脂轴承和导电油脂轴承的电机进行了小时的可靠性实验，实验结束后，将两台电机的轴承进行拆解分析。普通油脂的 轴承从图中可以看到，普通油脂轴承在经过可靠实验后，轴承的滚珠颜色变深，呈现为棕灰色，已经没有金属的光泽，放大滚珠表面观察，有明显电腐蚀的痕迹，但轴承还没有失效。导电油 脂轴承，在进行过可靠性实验后，滚珠还保留有金属光泽，在倍视角下观察，也存在电腐蚀痕迹，但程度比普通导电油脂的轴承低。由此说明导电油脂轴承能够一定程度抑制轴承电腐蚀，但无法杜绝。结语普通油脂的 轴 承导电油脂的 轴 承本文以一用车用驱动电机为研究载体，结合理论分析、实验验证等方式，研究了导电油 脂对轴承电压的影响以及对轴承电腐蚀的抑制作用，结论如下：导电油脂对轴承电压的峰峰值的影响较小，但轴承电压的平均电压低于普通油脂的轴承电压。（）通过可靠性实验验证表面，导电油脂能够抑制电机轴承电腐蚀，但是无法杜绝。参 考文献刘瑞芳，桑秉谦，曹君慈，等变频驱动系统电机接地状况对轴电压影响的研究中国电机工程学报，：作者简介：石鸿佼男 年生；毕业 于东南 大 学机械设计及理论专业，现从 事电机设计工作图可靠实验后轴承的拆解图片收 稿日期防爆电机是佳木斯防爆电机研究所主办的学术期刊，创刊于 年，双月干。防爆电机主要读者群为从事电机及相 关行业的科研、设计、制造、质量管理和机电产品的使用部门的技术人员，各大院校师生及电机行业的从业人员。防爆电机依托主办单位的优势，竭诚为广大用户提供展示产品的平台。