電機(jī)軸承產(chǎn)生電蝕損傷的機(jī)理

電機(jī)軸承的電蝕問(wèn)題已經(jīng)存在了幾十年，其可以在沒(méi)有變速驅(qū)動(dòng)( VSD)的交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)中發(fā)生。隨著20世紀(jì)90年代變頻電動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)，軸承電蝕損傷出現(xiàn)了顯著性的增長(zhǎng)。

在所有類型的電動(dòng)機(jī)中，非對(duì)稱且無(wú)屏蔽的電纜(圖1)或電動(dòng)機(jī)中磁通不對(duì)稱都可形成雜散電流。如果轉(zhuǎn)子不在定子中心或定子繞組不對(duì)稱，均會(huì)產(chǎn)生交變的磁通。定子中產(chǎn)生的循環(huán)通量給轉(zhuǎn)子提供了對(duì)稱和不對(duì)稱狀態(tài)交替變化的磁通。磁通量的變化產(chǎn)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(dǎo)致低頻循環(huán)電流流經(jīng)軸承。通量不對(duì)稱的經(jīng)典問(wèn)題在較大尺寸的兩極電動(dòng)機(jī)上更加復(fù)雜。這些大型電動(dòng)機(jī)本來(lái)就比小型的多級(jí)電動(dòng)機(jī)(圖2)產(chǎn)生更大的通量不對(duì)稱。

變頻電動(dòng)機(jī)依靠變頻器來(lái)運(yùn)行，變頻器是電動(dòng)機(jī)的重要組件之一，因?yàn)槠浜?jiǎn)化設(shè)計(jì)且控制可變速率，降低能耗且支持高速設(shè)計(jì)。然而，由于在變頻器中使用了可進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體，變頻器在軸承中造成的電損傷也在增加，功率轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體是一個(gè)門極可關(guān)斷晶閘管，但在當(dāng)今市場(chǎng)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(chuàng)建脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出電壓波形，特征是在電動(dòng)機(jī)中快速轉(zhuǎn)換以及在轉(zhuǎn)換器輸出中電壓可快速上升到8 kV，這提高了驅(qū)動(dòng)器的效率和動(dòng)態(tài)性能。使用PWM變頻器的副作用是快速轉(zhuǎn)換( 100 ns)引起的高頻(HF)電流現(xiàn)象。PWM變頻器是固有的共模電壓和陡前沿脈沖(快速電壓轉(zhuǎn)換)引起各種高頻交流電的源頭。快速轉(zhuǎn)換引發(fā)的高頻(5 kHz ~ 10MHz)電流造成了軸承損傷。

對(duì)于變頻器供電電動(dòng)機(jī)，快速轉(zhuǎn)換引起的問(wèn)題有：1)高頻軸接地電流；2)高頻循環(huán)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(dǎo)致變頻器輸出的共模電壓是前2類電流產(chǎn)生的原因。第3類電流由變頻器試圖仿真一個(gè)由PWM信號(hào)提供的正弦波而產(chǎn)生，該信號(hào)具有高頻整流和快速轉(zhuǎn)換(陡前沿脈沖)。滾動(dòng)體和套圈的接觸形成一個(gè)電容器。快速轉(zhuǎn)換引起電容放電電流。

1.1高頻軸接地電流

保護(hù)接地電壓，類似問(wèn)題出現(xiàn)在較高頻率的較差電纜上,是變頻器輸出共模電壓的結(jié)果。如果回流電纜的阻抗太高且定子接地差,那么電流就會(huì)走定子的路徑，穿過(guò)軸承，通過(guò)軸到驅(qū)動(dòng)機(jī)械的地面(圖4)。

1.2高頻循環(huán)電流

在定子繞組的三相之間，共模干擾產(chǎn)生不對(duì)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(chǎn)生了高頻軸電壓。因此,軸向流動(dòng)的電流很危險(xiǎn),該電流可穿過(guò)轉(zhuǎn)子軸、軸承、定子以及后面的其他軸承(圖5)。

1.3電容放電

潤(rùn)滑膜將滾動(dòng)軸承中的滾動(dòng)體與套圈分隔開(kāi)。被轉(zhuǎn)子及高頻電流充電成電介質(zhì)的潤(rùn)滑膜形成了電容器，電容量取決于幾個(gè)潤(rùn)滑參數(shù)，包括增稠劑、潤(rùn)滑油類型、潤(rùn)滑膜厚度、工作溫度和潤(rùn)滑劑黏度。當(dāng)電壓達(dá)到潤(rùn)滑劑擊穿電壓的界限，電容器就會(huì)放電并產(chǎn)生高頻電流。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換的每個(gè)瞬間都會(huì)出現(xiàn)放電現(xiàn)象(圖6)。