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于曉東¹　李振宇²　李積繼³
（1.佳木斯合成實業(yè)有限責(zé)任公司，黑龍江佳木斯 154007；2.東芝大連有限公司，遼寧大連 116600）

　　摘　要：闡述采用逆變器供電的變頻電機，因電源存在許多高壓脈沖，高頻諧波增多，以及電動機鐵心磁路不平衡等，在電機繞組和轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。為減少軸電流的危害，除電機制造需滿足磁路平衡外，提出加裝電源濾波器，前后軸承都要絕緣處理等防止變頻電動機軸電流危害的措施。
　　關(guān)鍵詞：變頻電動機；軸電流；防止
　　1　引言
　　通常在大型電機中特別是采用扇形沖片迭制鐵心的電機，如果磁場不對稱等易產(chǎn)生軸電流。近年來采用變頻調(diào)速驅(qū)動裝置的小電機也出現(xiàn)不容忽視的軸電流，導(dǎo)致小電機的軸承過早損壞，直接影響和降低了電動機運行的可靠壽命，引起電機用戶和電機制造廠商的關(guān)注。
　　2　軸電流的危害
　　變頻電機軸端安裝的輔助裝置如測速計、編碼器等，易與兩軸承或兩軸承之一構(gòu)成軸電流回路（見圖1電流數(shù)學(xué)模型圖）。該軸電流對電機軸承造成破壞，對測速計、編碼器等輔助裝置的安全構(gòu)成威脅。

　　在電機正常運轉(zhuǎn)情況下，軸承內(nèi)形成一層潤滑油膜，能起一定的絕緣作用，即使電機運轉(zhuǎn)出現(xiàn)較低的軸電壓，也不會產(chǎn)生軸電流。但是當(dāng)軸電壓高到一定數(shù)值時，將會擊穿油膜而放電。尤其是在電動機啟動時，軸承內(nèi)的潤滑油膜還未穩(wěn)定建立，瞬即產(chǎn)生的軸電壓將擊穿油膜的薄弱部位放電，形成軸電流。當(dāng)放電部位的金屬接觸點很小時（特別是滾珠軸承），則流經(jīng)這些點的電流密度就會很大，在瞬間產(chǎn)生高溫，使軸承局部燒傷，在滾珠或滾道上燒出小凹坑。如果長期有軸電流，小凹坑麻點就會增多，滾動軸承的滾道上甚至出現(xiàn)凹槽，或灼傷滑動軸承的軸頸和軸瓦甚至軸承完全損壞，從而產(chǎn)生噪聲、振動或停機。爆炸性危險環(huán)境運轉(zhuǎn)的電機，過大的軸電流產(chǎn)生的過熱或火花，將可能引發(fā)爆炸等惡性事故。
　　電動機所容許的軸電壓、軸電流的大小與軸承類型、運行狀態(tài)、潤滑油質(zhì)、轉(zhuǎn)速、安裝質(zhì)量、現(xiàn)場運行環(huán)境和軸電流流經(jīng)路徑的阻抗等許多因素有關(guān)。
　　幾乎所有的電機運轉(zhuǎn)時或多或少都會產(chǎn)生軸電壓，一般來說，若軸兩端產(chǎn)生的軸電壓達(dá)到500mV，就容易產(chǎn)生有害的軸電流，美國NEMAMGI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，按IEEE112標(biāo)準(zhǔn)進行試驗，如果軸電壓峰值大于300mV時即需采取絕緣措施。
　　軸電流的大小對滑動軸承和滾動軸承的影響略有不同，對滑動軸承而言，若軸電流小于10A，基本無燒蝕，軸電流值達(dá)10-40A，則只能維持運轉(zhuǎn)3000-12000h，若軸電流高達(dá)100A以上就非常危險，可能數(shù)小時內(nèi)將會燒毀。
　　對滾動軸承而言，由于滾珠（滾柱）與軸承內(nèi)外圈滾道的接觸面積小，對軸電流的敏感比滑動軸承更大，軸電流給滾動軸承造成的損傷及破壞更厲害。當(dāng)軸電流大于2A時，幾小時內(nèi)即可能損傷；若軸電流達(dá)1-1.4A，軸承只能繼續(xù)運轉(zhuǎn)200-700h；軸電流只有低于1A時，一般滾動軸承才能無大傷害的運行。
　　3　變頻電動機軸電壓、軸電流的產(chǎn)生
　?。?）變頻電動機是由逆變器提供電源，逆變器部分多采用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM），電壓波形存在許多高壓脈沖，致使調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)中高頻諧波成分增多，這些諧波分量在轉(zhuǎn)軸、定子繞組和接線部分等產(chǎn)生電磁感應(yīng)，繞組中點電位可能遠(yuǎn)離接地點，這種共模電壓以高頻振蕩并與轉(zhuǎn)子容性耦合，產(chǎn)生轉(zhuǎn)軸對地的脈沖電壓，峰值可達(dá)10-40V^[2]。
　?。?）電動機的鐵心磁路不平衡，如整圓定子沖片各向厚度不均勻，使定位迭壓后整個定子鐵心累計厚度出現(xiàn)一邊厚、一邊薄或一邊松、一邊緊，造成定子鐵心圓周磁路不對稱，采用扇形沖片以及鐵心槽、通風(fēng)槽不適當(dāng)?shù)纫矔斐纱怕凡粚ΨQ，當(dāng)不對稱的磁場切割電機轉(zhuǎn)軸時，就在軸兩端感應(yīng)出軸電壓。
　?。?）電動機運行現(xiàn)場如果電機周圍有較多的高壓設(shè)備，那么在這些強磁作用下，電動機轉(zhuǎn)軸兩端也會感應(yīng)出軸電壓。
　　（4）外部電源的介入。由于電動機運行現(xiàn)場接線一般比較繁雜，如電機的保護和監(jiān)控檢測元件，輔助裝置的測速計、編碼器、冷卻風(fēng)機等，任何一根帶電導(dǎo)線塔接到轉(zhuǎn)軸上都可能造成軸電壓的產(chǎn)生。
　　有軸電壓的電機轉(zhuǎn)軸，一旦與電動機殼體，如軸承潤滑油膜被擊穿和測速計、編碼器等輔助裝置或聯(lián)軸裝置等構(gòu)成回路（見軸電流數(shù)學(xué)模型圖）就產(chǎn)生具有破壞性的軸電流。
　　4　變頻電機軸電流的防止
　　4.1 抑制電源諧波
　　采用逆變器供電的調(diào)速系統(tǒng)加裝濾波器或配套的變頻調(diào)速裝置加設(shè)共模濾波電路，提供高質(zhì)量的正弦波電源，以降低諧波、減少軸電流、噪聲、振動和電機溫升，延長軸承、繞組和電機的壽命，確保電機軸承和測速計、編碼器等輔助裝置的安全。
　　4.2 兩端軸承都采取絕緣措施
　　如果變頻電機軸頭安裝有如測速計、編碼器等輔助裝置時，不但電動機非傳動端軸承需采取絕緣措施，傳動端也需進行絕緣，以切斷軸電流通過傳動端軸承構(gòu)成回路（見圖1）。
　　采用滾動軸承結(jié)構(gòu)的軸承應(yīng)選用絕緣軸承，也可在軸承內(nèi)圈內(nèi)表面和端面用等離子噴涂法均勻噴涂50-100μm高性能絕緣層，也可在軸承外圈外表面和兩端面上噴涂絕緣層，但外圈的絕緣層在拆裝端蓋時易受劃傷，從而喪失絕緣能力。也可在端蓋軸承室加套，套與端蓋間夾墊絕緣層，緊固內(nèi)外蓋的螺栓加絕緣套管和絕緣墊等，這種結(jié)構(gòu)和工藝都相對復(fù)雜。
　　采用滑動軸承的結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)方法是在固定軸承部位加墊環(huán)氧玻璃布板等。進出油的管道加絕緣管接頭^[1]。
　　4.3 電機設(shè)計和制造采取的措施
　?。?）采用滾動軸承結(jié)構(gòu)的電機轉(zhuǎn)軸的前后軸承臺及其軸肩采取絕緣措施，如等離子均勻噴涂50-100μｍ厚的高性能耐熱陶瓷絕緣層。
　　（2）電機設(shè)計和制造方面力求電機磁路要達(dá)到基本平衡，如整圓沖片的鐵心迭制可將各向厚薄不均的沖片轉(zhuǎn)120°迭制。采用扇形沖片時，按電機的極數(shù)P、每一圓周的張數(shù)t、循環(huán)交錯迭片的循環(huán)層數(shù)n，需滿足q=nt/p=偶數(shù)或分子為偶數(shù)的Z高單分?jǐn)?shù)^[1]。
　　4.4 連軸采取絕緣措施
　　為了提高輔助裝置的安全度，切斷電動機的軸與負(fù)載機械、連軸輔助裝置如測速計、編碼器之間形成軸電流的通路（見圖1），還必須采取一些特殊措施，如直接聯(lián)接在電動機軸上的連軸宜加以絕緣等。
　　4.5 監(jiān)測線路加強絕緣
　　為了避免變頻電動機各監(jiān)測裝置和輔助裝置的導(dǎo)線絕緣破損造成的軸電流，現(xiàn)場運行及維修人員需經(jīng)常細(xì)致檢查并加強其絕緣，以消除不應(yīng)有的軸電流隱患。
　　4.6 改善電機運行環(huán)境
　　電動機運行現(xiàn)場應(yīng)與高壓強電場設(shè)備保持適當(dāng)距離，避免在電動機旁邊進行不適當(dāng)?shù)慕拥仉娀『福谏a(chǎn)過程中產(chǎn)生的靜電，減少對電機磁平衡的干擾。
　　4.7 運行輔助措施
　　現(xiàn)場運行的電動機，若出現(xiàn)較大的破壞性軸電流或周圍環(huán)境潮濕的中大型電動機，如上述各絕緣措施因故不便實施或達(dá)不到要求時，可在電動機兩端軸承的內(nèi)側(cè)加裝接地電刷^[1]，將軸電流導(dǎo)入地中，避免電動機軸承燒壞，保護輔助裝置和監(jiān)測裝置的安全。
　　5　結(jié)束語
　　一般根據(jù)變頻電動機電源供電的品質(zhì)、電機大小、軸承類型、聯(lián)軸裝置、監(jiān)測裝置和電機運行環(huán)境以及變頻電動機的軸電壓大小等具體情況分別采用以上措施就可以減少軸電流的危害，延長軸承的運轉(zhuǎn)壽命，提高變頻電動機運行的可靠性。
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]陳世坤.電機設(shè)計.北京：機械工業(yè)出版社，1992.10.
　　[2]粱慶信譯自（PTdesign）.感應(yīng)軸承電流.中小型電機.2002.3.