PWM調頻電機軸承電蝕原理與絕緣防護指標

盧斐銘

(上海新邦軸承有限公司 技術部，上海 201411)

隨PWM(脈沖寬度調制)技術與IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)在電動機中的廣泛使用，軸承電蝕等電磁損傷現象引起的問題也愈加突出。為解決這一問題，設計了絕緣電機軸承。在此，對電機軸承電蝕原理進行了分析，并介紹了絕緣電機軸承的各項性能指標。

1 軸承電蝕原理分析

1.1 共模電壓

三相電動機在運行過程中，由于三相均衡等原因會產生共模電壓，共模電壓由電動機三相繞組的電壓矢量和構成，即

(1)

式中：Vcom為共模電壓；Va，Vb，Vc為電動機三相繞組電壓。

當三相電動機在工頻正弦交流電下工作時，三相電壓矢量方向相互夾角為120°且幅值相等，故在任意時間點三相電壓矢量和,即共模電壓為0。采用PWM技術與IGBT元件的變頻調速電動機變頻調速時，工頻交流電通過變頻器進行調頻模擬正弦電，其各相波形不是正弦波，而由一序列幅值相同但寬度不同的脈沖進行近似模擬。在任意時間逆變器都有3個開、關動作，共8種開關狀態，其通過IGBT實現，這就造成三相電壓不均衡，從而產生較大的共模電壓, 共模電壓是造成軸承電磁損傷的主要原因。

PWM調制原理[1]22如圖1所示，三角波uc作為載波，當其與正弦調制信號波uru,urv,urw相交時，在交點時刻對電路中開關器件的通斷進行控制，就可得到寬度正比于信號波幅值的脈沖，形成對應的uu,uv,uw的PWM波。用1，0分別表示任意時間逆變器都有3個開、關動作，開關的通斷共8種狀態:000，001，010，011，100，101，110，111。共模電壓波形Uag在8種開關狀態下會產生4個幅值的共模電壓，即

圖1 PWM調制原理Fig.1 PWM modulation principle

式中：Vm為三相電壓值。

1.2 電流

(3)

式中：Q為電荷；C為電容。

(3)式對時間t求導得

(4)

即電流為

(5)

(6)

即

(7)

1.2.2 EDM電流

(8)

式中：Zb為軸承電抗，在油膜擊穿的情況下Zb近似為一個很小的線性電阻。

1.3 電蝕原理

圖2 潤滑脂變質、乏油、碳化現象Fig.2 Deterioration, starved oil, carbonization of grease

圖3 電蝕引起的齒狀電蝕Fig.3 Teeth electrical erosion caused by electric erosion

圖4 EDM電流造成的電蝕坑微觀形貌Fig.4 Micro-morphology of electrical erosion pit caused by EDM current

PWM逆變器的電機軸承壽命為[2]

Lelec=7 867 204×10-2.17ρB，

(9)

式中：ρB為軸承電流密度。

由(9)式可知:軸承壽命與電流密度密切相關。經驗表明：在電流密度小于0.1 A/mm2時軸承沒有電蝕風險；當電流密度大于0.1 A/mm2時會出現滾道電蝕，從而影響軸承壽命[3]。

2 軸承等效電路

滾動軸承內、外圈與滾動體材料通常為軸承鋼，可近似為一個很小的線性電阻，軸承運行時滾動體與內、外圈之間會存在油膜，可近似為一個油膜電容(圖5)。等效電路圖如圖6所示，在油膜擊穿時，油膜電容視為短路，由于軸承電阻率很小，瞬間放電時電流將輕易超過0.1 A/mm2的閾值。

圖5 普通軸承結構示意圖Fig.5 Structure diagram of ordinary bearing

圖6 普通軸承等效電路圖Fig.6 Equivalent circuit diagram of ordinary bearing

以一般的外圈涂覆絕緣涂層的絕緣軸承為例，其結構如圖7所示。其中絕緣涂層可視為一個電阻與電容的并聯結構，絕緣軸承的等效電路圖如圖8所示。

圖7 外圈絕緣的絕緣軸承結構Fig.7 Structure of insulation bearing with outer ring insulation

圖8 絕緣軸承等效電路圖Fig.8 Equivalent circuit diagram of insulation bearing

當絕緣層電阻足夠大時，EDM電流較小，EDM電流可近似為

(10)

(11)

3 絕緣軸承各絕緣性能指標分析

3.1 涂層絕緣電阻

根據(10)式可知，涂層絕緣電阻是影響EDM電流的主要因素。涂層在工作電壓下要具有良好的絕緣性能，一般要求在直流工作電壓加載下阻值達到500 MΩ以上。

3.2 交流耐壓值

由于絕緣軸承實際工況下共模電壓是一個交變電壓，故要求涂層能夠在交流電加載下不會被擊穿，一般要求在2 500 V或以上的交流電壓加載下不發生擊穿現象。

3.3 涂層電容

(12)

式中：ε為絕緣材質介電常數；S為極板面積；d為極板間距；K為電容常數。

對于外徑為D，寬度為B的圓柱滾子軸承，外圈絕緣涂層厚度為h時

(13)

4 結束語