大功率变频电机轴电流的分析及防范措施

白俊峰

【摘 要】大功率电动机轴承轴电流故障危害极大，会导致轴承的使用寿命缩短，有的运行1～2个月，甚至有的运行几天就会出现噪声和振动。大功率电动机一旦出现轴电流，严重的甚至几分钟内轴承就会烧毁，大则导致转轴扫膛。考虑到轴电流对大型电机的影响，有必要对轴电流问题进行分析和探讨。

【关键词】大功率变频电机;轴电流;危害;防范措施

引言

随着交流调速技术发展日新月异，交流变频电机的应用越来越广泛。但与此同时变频电机轴电流导致轴承异常损坏的问题也日益突现。而在实际生产过程中也也同样会发生大量变频电机轴承异常损坏问题。这些情况的发生，直接导致设备故障，造成巨大损失。

一、轴电压和轴电流的产生

轴电压是电动机两轴承端或电机转轴与轴承间所产生的电压，其产生原因一般有以下几种：

1、磁阻不平衡产生轴电压。电动机由于扇形冲片、硅钢片等叠装因素，再加上铁芯槽、通风孔等的存在，造成在磁路中存在不平衡的磁阻，并且在转轴的周围有交变磁通切割转轴，在轴的两端感应出轴电压。

2、逆变供电产生轴电压。电动机采用逆变供电运行时，由于电源电压含有较高次的谐波分量，特别是大功率变频器谐波在电压脉冲分量的作用下，定子绕组线圈端部、接线部分、转轴之间产生电磁感应，使转轴的电位发生变化，从而产生轴电压。

3、静电感应产生轴电压。在电动机运行的现场周围有较多的高压设备，在强电场的作用下，在转轴的两端感应出轴电压。

4、外部电源的介入产生轴电压。由于运行现场接线比较繁杂，尤其大电机保护、测量元件接线较多，哪一根带电线头搭接在转轴上，便会产生轴电压。

5、其他原因

如静电荷的积累、测温元件绝缘破损等因素都有可能导致轴电压的产生。轴电压建立起来后，一旦在转轴及机座、壳体间形成通路，就产生轴电流。

二、轴电流的危害

轴电压的产生几乎在所有的电机运转时或多或少都会有。一般说来，若是轴两端所产生的轴电压能够达到500mV时，就会产生轴电流，所以必须采取一定的绝缘措施。作为滚动轴承，因其滚珠（滚柱）与轴承内外圈滚道的接触面积要小得多，对轴电流的敏感自然比滑动轴承要更大些，由此可知轴电流给滚动轴承所造成的损伤及破坏显得更大些。假如轴电流大于2A，这时轴承只能维持运转200～700h;假如轴电流低于1A时，一般的滚动轴承才可以在没有大的伤害的情况下得以有效运转。

若是放电部位的金属接触点很小，那么流经这些点的电流密度将会很大，其瞬间产生的高温，足以造成轴承的局部烧伤，比如会在在滚珠或滚道上烧出一些小凹坑。假如是长期有轴电流产生，那么，那些个小凹坑的麻点会越来越多，严重时滚动轴承的滚道上就将有凹槽出现（如下图所示），或者造成滑动轴承的轴颈和轴瓦的灼伤，严重者甚至会使轴承完全遭到损坏，噪声出现、振动或停机就成为可能。在那些爆炸性的危险场所运转的电机，若是轴电流过大，其产生的过热或火花，就有可能引发爆炸，从而酿成重大的事故。

综上可知：轴电流的放电作用所带来的卞要后果有以下几个方面：①能够在放电区域把金属粒子熔化，从而在金属表而形成许多的电蚀凹坑，虽然他们极微小，但其破坏作用不可低估;②这些极微小的凹坑慢慢积聚，达到一定的程度，不仅使表而变得粗糙，失去光泽，如果发生在轴瓦上还会造成纯机械的磨损;③若是熔化的金属微粒一旦进入润滑系统，那么润滑剂必然会受到污染，从而使得整个润滑系统的润滑性能遭到损坏，这是含有大量金属微粒的润滑剂必然要降低油膜的电阻，从而加速电火花侵蚀的进展;④在轴承承载区所产生的局部高温，也会让油膜遭到破坏，金属被烧坏，增加了磨耗，从而造成严重的摩擦损坏。

三、轴电流对轴承的破坏

正常情况下，转轴与轴承间有润滑油膜的存在，起到绝缘的作用。对于较低的轴电压，这层润滑油膜仍能保护其绝缘性能，不會产生轴电流。但是当轴电压增加到一定数值时，尤其在电动机启动时，轴承内的润滑油膜还未稳定形成，轴电压将击穿油膜而放电，构成回路，轴电流将从轴承和转轴的金属接触点通过，由于该金属接触点很小，所以这些点的电流密度大，在瞬间产生高温，使轴承局部烧熔，被烧熔的轴承合金在碾压力的作用下飞溅，于是在轴承内表面上烧出小凹坑。一般由于转轴硬度及机械强度比轴承烧熔合金的高，通常表现出来的症状是轴承内表面被压出条状电弧伤痕。

四、轴电流的防范措施

对电机用户来说，轴电压是无法避免的，但只要不产生闭合回路，就不会产生轴电流。防止措施由于电机结构不同，采用的方法也不同，端盖式滑动轴承可通过在轴承座与轴瓦配合面上粘接绝缘层防止轴电流;而座式滑动轴承仅需在轴承座与底架间加3240环氧布板、3240垫圈及3240绝缘管即可。以下重点介绍滚动轴承防止轴电流的办法。

1、绝缘轴承。绝缘轴承的结构形式分内圈绝缘和外圈绝缘，这种防止轴电流的方法虽然简单，但成本高。

2、绝缘轴承套。绝缘轴月套有两种，一是组装式，对轴承套与端盖配合的面采用环氧树脂绝缘漆调配后进行封塑。待其固化后，根据配合要求进行加工。装配时，为了达到绝缘效果，必须将螺栓与端盖、轴承套等零部件之间进行绝缘，即需增加绝缘垫和绝缘圈，组装较繁琐，见图1。二是封塑式，是轴承套与轴承、油盖配合的面间采用环氧树脂绝缘漆调配后进行封塑，待其固化后，根据配合要求进行加工。

3、绝缘轴承室。轴承室的内径与轴承外径配合，可在其内径表面进行喷涂绝缘材料（如铁氟龙），根据与轴承配合要求进行装配，一般轴承的装入采用热套的办法。

4、“轴”绝缘。“轴”绝缘是转轴精加工后，在转轴的轴承档、油盖档喷镀绝缘材料。根据与轴承配合要求进行装配。

5、安装碳刷。安装碳刷结构形式与以上种目的不同，它的目的是消除轴上的感应电势，使轴承内、外圈没有电位差。方法是在轴伸端与端盖之间安装碳刷，通过碳刷把端盖与转轴连接起来，产生短路，消除轴上感应电势、消除轴承电位差，应用时，可根据不同生产条件、电机的结构、规格等加以选择。例如：台湾东元电机有限公司以电机绝缘轴承室、安装碳刷的方式为主;西门子公司以绝缘轴承室为主;日本YASKAWA公司以安装碳刷方式为主。

6、抑制电源谐波。当用变频器供电时，系统正确接地、合理选用平波电抗器、d V/d t 滤波器以及考虑变频器与电机间电缆的驻波效应，尽量缩短变频器与电动机间的电缆长度等措施，降低谐波、减少轴电流、噪声、震动和电机温升。减小或抑制尖峰过电压的幅值，可以采用 2 种方法：一是在电缆两侧增加电抗器（扼流圈）或滤波器，这样可以有效减缓电源端输出电压脉冲的上升速度;二是在设计时应尽量减少变频器与电机间的电缆长度，通过缩短电缆长度降低 2 者间暂态的波过程的振荡周期，从而降低电机端过电压。

结束语

综上所述，随着变频调速技术的发展，大功率变频电机轴电流问题已经不容忽视。为有效保持变频电机的运行状态、延长使用寿命，必须采取相应的措施来预防轴电流。在根本上无法杜绝轴电流的前提下，电机采取绝缘措施是目前最简单、有效预防轴电流的方法。此外，通过对电机轴承的定期振动检测，结合轴承失效分析，可帮助发现轴电流造成的轴承早期损坏。

参考文献：

[1]王静.变频电机轴电流形成原因及防范措施[J].聚酯工业.2012年

[2]帅安文.低压大功率变频电机轴电流的分析与处理[J].硅谷.2012年

[3]朴春吉.变频调速系统中电机轴电流问题综述[J].机械管理开发.2011年

（作者单位：中天合创能源有限公司）