通過在定子槽開口引入接地電極來減輕逆變器引起的非循環軸承電流

王立達 韓成浩

（吉林建筑大學電氣與計算機學院）

0 引言

軸承電流是現代電力驅動器中的一種有害現象。該問題在電機的初級階段就已經被認識到。由于存在絕緣的導電部件，電機可以表示為一組寄生電容。這些電容如圖1 所示，包括定子繞組到轉子鐵心的電容Cwr、定子繞組到定子鐵心的電容Cws、定子鐵心到轉子鐵心的電容Csr和軸承的電容Cb。

圖1 寄生電容

圖1中軸承電流可分為兩大類：循環（也稱為電感）和非循環（也稱為電容）電流。循環軸承電流在電機內形成閉環，主要是由不平衡磁通引起的（圖1 中由a 表示）。導致循環軸承電流的另一個因素是高共模du/dt值，主要由電流通過定子繞組-定子鐵心電容造成的[3]。在定子繞組中流動的一部分電流通過雜散電容泄漏到定子鐵心，另一部分泄漏到轉子。泄漏到定子的部分會導致循環軸承電流，通常流入機器接地端子，不會造成直接傷害。相比之下，泄漏到轉子的另一部分（圖1 中由b 表示）通過軸承進入系統接地。這種電流可能會引起放電，并對滾珠軸承極其有害。

表1列舉降低電容軸承電流的最新技術。旨在減少變頻器高電壓諧波和共模電壓的技術，并提供各種不同的解決方案[5-10]。變頻器的改進在減少軸承電流方面具有很大前景。也可以通過安裝共模電壓濾波器[1，4，11]來抑制從逆變器到電機的共模電壓和高次諧波。然而du/dt濾波器和共模扼流圈[12-13]不會降低EDM 電流。

表1 可緩解EDM 電流的解決方案

EDM 軸承電流也可以通過引入機器來抑制。例如，雜散電流電路可以通過最小化電容耦合[3]，或使用陶瓷球軸承[1，18]完全斷開。如果為雜散電流提供安全路徑，則可以減少電容電流對軸承的負面影響。例如通過使用導電油脂[19]或軸接地裝置來實現。軸接地裝置是一種簡單有效的對策，但它有一個主要缺點：電刷磨損，它們可能具有接觸問題并且對外部條件敏感，因此需要頻繁維護。

文獻[17]中討論了接地電極方法。該方法旨在減少機器側由PWM 引起的EDM 軸承電流。進一步設計靜電屏蔽原理，以減少轉子鐵心和定子繞組之間的電容耦合。本文分析一臺實際的電機，并通過實驗驗證結果，采用一種精細化的有限元分析（FEA），討論系統可能引起的問題。

1 理論背景

定子繞組對轉子鐵心的電容在非循環軸承電流的發生中起著重要作用。電容減小明顯增加雜散電路電流的總阻抗，降低軸承滾道之間的電壓，并防止軸承潤滑劑擊穿，這通常導致EDM 電流和軸承滾道上的腐蝕。在下文中，定子繞組到轉子鐵心的電容Cwr將是研究的重點。

圖2為電機定子槽電容器等效電路。繞組和轉子表面可以被認為是電容器的電極，而繞組絕緣和氣隙表示這些電極之間的電介質。圖中，箭頭表示容性電流路徑；Cb+Csr表示當轉子和定子之間沒有電流連接時軸承滾道之間的電容；開關S 表示當潤滑劑膜破裂時可以形成的連接。

圖2 電機結構與等效圖

文獻[17]中，通過部分靜電屏蔽可以有效地降低軸承電流。電容性電流將繞過轉子和軸承，通過在槽開口中引入接地電極來實現，如圖3 所示。圖中，箭頭表示電容式電流的路徑。Cb+Csr表示軸承電容和定子對轉子的電容，開關S 表示當潤滑油膜破裂時可以形成的連接。之前觀察到的轉子和繞組之間的電容的一部分仍然是Cwr’，其中Cwr’＜Cwr。

圖3 電機結構與等效圖

電極被認為是一個部分的靜電屏蔽。在文獻[14]中提出類似的屏蔽設計，并且該方法用于EDM 電流抑制的對策[15-16]。當電極被放置到槽開口或槽鍵中時，原始的定子繞組到轉子鐵心的電容被分成兩個串聯的電容：繞組到電極Cwe和轉子到電極Cer。由于接地電極沒有覆蓋定子之間的所有間隙，一些剩余的定子繞組到轉子鐵心電容Cwr’仍然作為一個平行路徑（圖3）。

電極被引入到所有定子槽開口中并且在一端處連接到接地端子。僅在一端連接電極可防止形成閉合回路，這可能導致出現鼠籠效應和額外的渦流損耗[17，23]。圖4 為配備有接地電極的電機定子。

圖4 電機定子結構

評估軸承電流潛在風險的一個常見參數是BVR。BVR 是軸承電壓Ub與電機端子Ucm處的共模電壓之間的比率。BVR 可用機器電容來定義：

式中，Ub為軸和接地之間的電壓；Ucm是共模電壓；Cwr、Csr和Cb分別為定子繞組到轉子鐵心、定子鐵心到轉子鐵心和軸承電容。

式（1）可以用圖5 所示的電容等效電路來解釋。圖中表明，寄生電容形成一個電容式分壓器。在軸承上觀察到高頻共模電壓的一部分作為軸承電壓Ub。

圖5 交流電機主電容的等效電路

當施加接地電極時，必須相應地改變等效電路。電極使常規機器（見圖2）的存儲繞組到轉子鐵心電容Cwr替換為串聯電容Cwe和Cer以及并聯殘余電容Cwr’（見圖3）。修改后機器的等效電路如圖5b 所示。根據電容式分壓器原理定義BVR 時，修改后的方程寫為：

式中，Cwr’為定子繞組到轉子鐵心的剩余電容；Cer為轉子鐵心與槽開口中引入電極之間的電容。理論上，BVR 由機器電容定義。實際上，電容不能直接測量。

2 基于有限元方法評估

計算中使用插槽尺寸如圖6 所示（研究15kW 4桿36 槽機尺寸，單位mm）。d為接地電極的變化直徑。疊層層長度為272 mm。

圖6 槽機尺寸

在研究中，估計未修改機器和配備插槽電極機器的電容Cwr和Csr。計算電容和獲得的Bvr見表2。BVR 的計算使用帶有接地電極的機器。在BVR 計算中，陶瓷軸承電容Cb被測量為27pF。

表2 常規電機和用不同直徑電極修改的電機電容和BVR

有限元結果只對應于疊片堆疊區域，而忽略端部繞組。根據文獻[21]，在15kW 電機中，端部繞組的比例約為定子繞組-轉子鐵心總電容的40%。因此，端部繞組電容Cwr,ew可以從圖1 的鐵心區域電容Cwr,core求出。

在表2 中，不考慮端部繞組區域的FEM 計算電容由Cwr表示。考慮疊片疊層和端部繞組區域后，更新后的定子繞組對轉子鐵心電容在表2 和本文后面的內容中用Cwr表示。定子鐵心對轉子鐵心電容不受端部繞組的影響；因此，不需要在Csr中進行類似的校正。

首先，測量陶瓷球軸承15kW 電機的BVR。電機配備有直徑為0.3mm 的漆包銅線槽電極。電極沿著疊片堆疊長度放置在槽絕緣體上。它們沒有覆蓋端部繞組區域。電極固定在槽開口的中間。在鐵心的驅動端電極被切斷，以確保它們與定子鐵心沒有任何電接觸。在非驅動端部，電極被連接到接地端子上。

基本頻率分別為10Hz、20Hz、30Hz 和40Hz。圖7 顯示在20Hz 供電頻率下的原始和修改電機的軸電壓波形示例。兩個電機的共模電壓波形如圖8 所示。10Hz、30Hz 和40Hz 基頻的波形幾乎與20Hz 基頻的波形相同。

圖7 常規和改進后15kW 感應電動機基本PWM電源下的軸電壓

圖8 常規和改進后15kW 感應電動機的共模電壓

從修改后的電機測量到的軸電壓振幅明顯低于普通電機。如圖8 所示，兩臺電機的共模電壓振幅保持在相同水平。在分析中采用了Ub和Ucm的峰值。測量的BVR 和獲得的平均BVR 值顯示在表3 中。使用這種簡單的測試方法，BVR 平均降低了44%。

表3 所測量RAW 數據

圖9作為電極直徑函數的BVR 和Cwr/Cwr,nom兩者的FEA 結果。Cwr,nom是未修改電機的定子繞組到轉子鐵心的電容。

圖9 BVR 和Cwr/Cwr,nom 接地電極直徑的函數

引入一個薄接地電極，也能顯著降低Cwr和相應的BVR。由圖10 可知，將0.1mm 電極安裝在插槽鍵上時，BVR 下降了將近25%（從BVR=7.32%下降到BVR=5.63%）。

圖10 BVR 計算和測量了原始和改進后的電機與0.3mm 電極上的槽鍵

在試驗中，機器配備0.3mm 槽鍵表面電極。表3 中給出的測量結果顯示出BVR 下降的趨勢，并且與理論一致。圖10 將實驗獲得的BVR 與基于FEM 方法給出的值進行比較。

在電極直徑為0.3mm 的情況下，使用測量電容的差異為44%，使用BVR 時為18%。利用共模和軸電壓振幅得到。可能導致計算結果出現誤差的主要原因如下：

1）不精致的電機幾何形狀；尺寸誤差可能為±0.5mm；

2）繞組的簡化表示：繞組被建模為一個堅固的銅片，而不是細銅線；

3）端部繞組占40%：是一個粗略的估計；

4）在有限元計算中，電網劃分和數值問題也可能導致誤差。

3 結束語

本文研究一種通過在定子槽中安裝接地電極來降低繞組到轉子電容的抑制非循環軸承電流的方法。根據2-D FEM 計算，采用15kW 電機。結果表明，在槽鍵上只安裝一個薄接地電極，有效地降低了造成非循環軸承電流的定子繞組到轉子芯電容。增加電極直徑會導致BVR 的輕微額外減少。

對一臺15kW 異步電動機進行改造和試驗。結果與計算值基本一致。通過理論分析和試驗，可以得出結論：引入接地電極是防止容性軸承電流的有效對策。

即使所提出的對策已經可以作為一個現成的解決方案，該方法還沒有達到預期。將需要進一步研究工作在靜電屏蔽原理上的軸承電流抑制技術，以設計能夠減少由端部繞組區域引起的電容耦合的屏蔽系統。