船舶推進電機軸電流研究

龍 潤，柯常國

船舶推進電機軸電流研究

龍 潤1，柯常國2

（1. 海軍駐湘潭地區軍事代表室，湖南湘潭 411100；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文首先分析了船舶推進電機軸電流產生機理和危害，研究了消除軸電流危害的各種措施。針對軸承絕緣，對絕緣軸承和絕緣結構方案進行對比分析研究。最后，提出了通過絕緣端蓋對滾動軸承進行絕緣的方案。

推進電機 軸電流 絕緣

0 引言

近年來船舶電力推進系統需求日趨增多，交流變頻調速應用日趨廣泛。采用變頻調速不但能實現電機無級調速，而且可以在不同應用場景和不同負載條件下使電動機始終運行在高效區，并確保優良的動態特性。隨著推進電機容量的不斷增大，軸電流導致電機損傷事故屢有發生，設計時應該重視由軸電流引起的危害。

1 軸電流產生機理和危害

船舶交流電力推進系統一般包括推進變壓器、推進變頻器和推進電機，變頻器一般采用電壓型兩電平交-直-交拓撲方案，變頻器采用模塊化設計，包括整流單元、制動單元、逆變單元等組成，力求達到較大的功率密度和高可靠性，主回路示意圖如圖1。

變頻驅動系統運行時，轉軸與軸承之間產生的電壓叫做軸電壓，若軸承絕緣不佳，則會通過軸承、軸承座或機座等構成回路，軸電流就產生了。軸電壓是隨著電機的旋轉運行就存在的，一般普通工頻電機軸電壓產生主要是由電容電流、單極效應或磁路不對稱等因素造成，最終還是由磁通脈動造成的，在正弦波供電的情況下，軸電壓較小，危害不大[1]。

但是對于船舶電力推進系統廣泛應用的變頻電機大都采用變頻供電，這時電機的軸電壓主要是由于電源三相輸出電壓不平衡的零序分量產生。變頻調速驅動系統中諧波高頻成份多，高次諧波分量在定子繞組、電纜和轉軸中產生電磁感應，電機內分布電容的耦合作用形成共模回路，產生共模電壓高頻振蕩，并與轉子容性耦合，形成轉軸對地電壓，借助電機軸、軸承和機座等構成回路將產生軸電流[2]。

軸電壓不高的時候，電機軸承潤滑后形成的一層油膜可以起到絕緣作用，軸電流沒有通路。但是當軸電壓較高且潤滑不充分時，軸電壓過高將使潤滑油膜擊穿放電產生軸電流，并導致發熱產生高溫燒灼，對軸承內圈、外圈或滾珠產生損傷，形成一些微小區域的凹槽損傷，對于高速旋轉的電機來說，將引起異常噪聲振動，不及時采取措施將在電機軸承內外圈、滾珠上產生大面積損傷，導致軸承損壞，大大降低電機使用壽命。

圖1 變頻驅動系統主回路圖

2 減少或消除軸電流危害的措施

2.1 軸電壓軸電流限值規范

電機運轉時都會產生軸電壓，變頻驅動電機所允許的軸電壓或軸電流的大小取決于現場運行環境、安裝質量、電機運行狀態、軸承狀況、油膜厚度和回路阻抗等許多因素。國標《GB/T35714-2017船舶推進電動機》規定：“推進電動機的軸電壓峰峰值不應該超過1 V。需要設置絕緣軸承防護軸電壓和軸承電流。”西門子電機出廠空載軸電壓要限制在350 mV以下，如果超過該值，軸承必須絕緣[3,4]。

實際應用中，對于滾動軸承電機，軸電壓大于0.5 V將產生有害軸電流，軸電壓大于1 V時，電機軸承可能在運行后1年內就出現明顯損傷；對于滑動軸承電機，潤滑油膜絕緣效果稍好，軸電壓大于1 V時會造成電機軸承明顯損傷。某1500 kW、1000 r/min變頻電機按國標GB1029所規定的試驗方法測量的空載軸電壓和負載軸電壓分別為0.65 V和2.6 V，油膜電壓分別為0.15 V和0.51 V，可以看出，變頻電機軸電壓還是比較大的，且負載時軸電壓比空載時大，實際應用中必須采取措施，以減小或消除軸電流損傷[5]。

2.2 減小或消除變頻電機軸電流損傷的措施

軸電壓對軸承等造成損害通常需要兩個條件：一是軸電壓較高；二是是軸承絕緣狀態不佳，給軸電流提供了流通回路。軸電壓無法避免，避免軸電流損害的重點應該是軸電流治理。對于采用滾動軸承的電機，軸承的潤滑脂膜比較薄，并且在剛啟動時潤滑不充分，對軸電壓的作用比較敏感，作為船舶推進變頻驅動系統來說，必須采取措施預防軸電流。應合理選用電抗器、d/d濾波器，并考慮屏蔽接地設計。同時，充分考慮變頻驅動電纜駐波效應，盡量縮短變頻器和電機之間的電纜長度。

電力推進系統（包括推進變壓器、變頻器、推進電機等）組成設備需進行接地處理，如圖2所示。接地點必須采用標準的重載PE電纜，不強求具備高頻特性。但是，變頻器及電機等必須采用具備高頻特性的屏蔽電纜進行連接。變頻器與電機之間電纜通常采用屏蔽對稱三線三相電纜，同時PE線也需要對稱布置，如圖3。同時，有效的屏蔽接法是采用EMC填料函、MCT或EMC屏蔽壓片使電機PE端和電機接線盒屏蔽母排采用360°可靠接觸，如圖4。

圖2 接地處理

預防軸電流損害最有效的措施就是對變頻驅動系統軸承進行絕緣設計。當軸電壓高到一定程度時，電機設計時不僅要考慮軸承絕緣，電機輔助裝置也要進行絕緣設計。軸承絕緣通常是采取非驅動端軸承絕緣，絕緣設計方案可采用絕緣結構，如軸絕緣、軸承室絕緣、端蓋絕緣以及軸承座絕緣等，也可以直接采用絕緣軸承。絕緣軸承方案可徹底防止軸電流電蝕軸承，且安裝維護方便。采用絕緣軸承在設計和安裝時與普通軸承相同，但成本高，周期長，主要依賴進口，且軸承規格少。采用絕緣結構可選用普通軸承，成本低，生產周期短。但是絕緣結構設計、生產加工復雜，結構處理不當，會造成軸電流電蝕軸承。目前，各軸承制造廠絕緣軸承只是個別定制產品，采購成本高，采購周期長。目前變頻驅動電機普遍采取軸承室絕緣結合端蓋絕緣，利用端蓋與軸承室結合處或與機座結合處絕緣，使得軸承絕緣。

圖3 理想對稱三線主線芯+對稱三線PE線芯

圖4 采用EMC壓片360°可靠接觸

圖5 驅動端軸承絕緣及絕緣端蓋結構

通過多種軸承絕緣方案的對比，并考慮電機的通用性、經濟性、可靠性、工藝性等要求，對推進電動機的端蓋進行絕緣設計，我們成功地研制出變頻驅動推進電機絕緣端蓋，解決了滾動軸承變頻驅動電機的軸承絕緣問題。絕緣端蓋通過絕緣結構把軸承與機座隔離絕緣，成功阻斷軸電流的流通回路。絕緣端蓋具有絕緣可靠、結構簡單、加工制造容易等特點，可適合不同的滾動軸承結構。

該型絕緣端蓋結構簡單，絕緣可靠，加工制造容易，能夠適合感應電動機的滾動軸承結構，如圖5所示。生產完成的絕緣端蓋采用1000 V的絕緣表進行絕緣試驗，絕緣電阻大于50 MΩ。

而對于采用滑動軸承的電機，通常采用對滑動軸承的軸承座進行內部絕緣的設計方案，并在普通滑動軸承的基礎上進行改進，設計出帶絕緣結構的滑動軸承，成功解決變頻電機滑動軸承的絕緣問題。

另外，還有一種措施就是通過在轉軸軸伸端安裝接地電刷，確保轉軸可靠接地，可以保護軸承免受軸電流損害，如圖6。

圖6 接地電刷

3 結束語

綜上所述，目前船舶推進電機在應對軸電流問題上的措施主要是在接線、屏蔽、接地、濾波器的基礎上，考慮絕緣軸承或絕緣結構，從目前多個型號多批次電機應用情況來看，電機和軸承未出現軸電流損傷情況，基本解決了軸電流問題。

[1] 艾波. 永磁同步電機軸電壓和軸電流研究[D]. 重慶: 重慶大學，2014.

[2] 柯常國等.電力推進系統控制策略仿真[J]. 船電技術, 2016, 36（4）: 15-18.

[3] 中國船舶重工集團公司第七一二研究所等. 船舶推進電動機: GB/T 35714-2017[S]. 2017.

[4] 西門子（中國）有限公司. SINAMICS S120變頻控制系統應用指南[M]. 北京: 機械工業出版社，2014.

[5] 哈爾濱大電機研究所等. 三相同步電機試驗方法: GB/T 1029-2005[S]. 2005.

Research of the Shaft Currents of the Propulsion Motor of a Ship

Long Run1, Ke Changguo2

（1. Naval Representative's Office in Xiangtan, Xiangtan 411100, Hunan, China; 2.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM343 TP391.9

A

1003-4862（2019）10-0015-03

2019-03-16

龍潤（1987-），男，工程師。研究方向：電氣工程。E-mail: 13873202860@139.com