电机轴电流形成原因及解决方案

强强

轴承作为支撑机械设备旋转的重要零部件，在各行各业设备应用中是必不可少的。而其常出现的问题也是多种多样的，其中比较常见也比较让设备使用人员头疼问题就是：轴承电蚀问题。本文和大家一起探讨下有关轴承电腐蚀的相关问题。

一.轴电流形成的原因

由逆变器功率器件 IGBT 的快速通断形成的陡峭电压边沿通过电机内的寄生电容产生干扰电流。基于此，干扰电流将流过电机轴承。最坏的情况就是，轴电压达到较高值，击穿油脂油膜形成电弧损坏轴承，从而缩短轴承使用寿命。

电机内部寄生电容框图及其等效电路图

注：当润滑油膜具有绝缘作用时，轴承阻抗可表达为容性 Cb。但随着轴承电压的升高导致润滑油膜击穿，轴承阻抗表现为类似于非线性的电压相关的阻性 Zn。电阻 Rb 为轴承滑环与滚动组件间的纯电阻性阻抗。

二.轴电流类型

电机集成到驱动系统的方式及其轴电流类型

a.环电流：

开关电压边沿变换在绕组与机壳的电容（Cwh）之间以及对地都将产生高频容性漏电流，这类漏电流将导致电机内的磁场不均匀分布，从而感应出高频轴电压Vshaft。当电机轴承上的润滑油膜的绝缘性寄生电容不能承受轴电压而击穿，容性环流形成，其路径：电机轴→非驱动侧轴承（NDE 轴承）→电机机壳→驱动侧轴承（DE 轴承）→电机轴。由于环电流大小取决于绕组与机壳之间的寄生电容 Cwh，所以随电机轴高增加而增加，对于轴高在 225 以上（包括 225）的电机，这将是主要的轴电流类型。

b.EDM电流：

电机 3 相定子绕组对地的陡峭电压边沿通过与转子间的寄生电容 Cwr 对轴承寄生电容 Cb 进行充电。这样电机轴和轴承上的电压时间特性将是附加于定子绕组3相对地电压的镜像。

三相PWM逆变器输出共模电压

一般在标准电机中，轴及轴承电压为电机绕组相对地平均电压的 5%。

最坏的状况，轴电压高到击穿润滑油膜，那么 Cb 和 Crh 将以很短的高电流脉冲形式放电。这个电流脉冲称为 EDM 电流（静电放电电流）。

c.转子轴电流

电机绕组与机壳之间的寄生电容 Cwh 流过的高频容性“漏电流”所引起的环流必然回流至变频器。若电机机壳对于高频干扰电流不具备良好的接地，那么电机绕组与接地系统之间，对于高频漏电流来讲呈现高阻抗，从而产生较高的电压降 VHousing。若连接的齿轮箱或驱动机械设备对于高频干扰电流来讲具有良好的接地，那么干扰电流将通过较低的阻抗路径回流：电机轴承上的防护罩→电机轴→机械耦合装置→齿轮箱或驱动机械设备到接地系统，再到变频器。此类轴电流对电机轴承，齿轮箱及机械设备将产生很大的损伤。

三.现场案例

Case1轴电流对电机轴承的影响：

问题描述：某景区索道主电机在更换轴承1年后，再次出现同样情况。

Case2轴电流对轴端编码器的影响：

问题描述：现场有些减速电机产品在运行近一年左右， S120 驱动器陆续报出编码器信号故障，经检查电机配套的编码器发现编码器的轴承润滑脂失效，保持架损坏。 将编码器发给制造商检查后，厂家给出的结论是编码器轴承受到电流腐蚀导致最终故障。

四．案例分析

两个case典型共同的问题在于转子轴电流。由于电机机壳的等电位连接的高频特性不好，高频阻抗较高，高频漏电流机壳上形成较高电位，从而在驱动系统组件中，包括轴承，机械设备，编码器等，由此造成不等电位设备或组件之间的平衡电流（高频漏电流）从而损坏设备。

五.解决方案

· 驱动系统中满足 EMC 安装的优化等电位连接

[0]；传统接地系统。采用了标准高功率 PE 导体，不具备高频特性，仅保证低频等电位连接，以及防护接地。

[2],[3],[4],[5]:具有高频特性的等电位连接，需要紧固最大面积连接，以提供高频低阻抗路径。

所有驱动系统的组件（变压器，变频器，电机，齿轮箱以及机械设备）处于同一的电位，

等电位连接的几个目的：

①防止驱动系统内不同组件由于不等电位造成的平衡电流；

②将高频干扰漏电流提供具有高频低阻抗回路，使之以最短路径返回至干扰源（变频器），防止形成驱动系统内组件间的共地回路传导干扰；

③将驱动系统内的干扰漏电流“锁”在本系统中，不至“外泄”至其他系统等。

· 电机非驱动侧采用绝缘轴承

绝缘的 NDE 通过增加环流路径：电机轴→ NDE 轴承→电机机壳→DE 轴承→电机轴的阻抗可大大减小容性环流。由于环流大小随电机轴高增加而增加，对于大型电机来讲，十分有必要在非驱动侧安装绝缘轴承。

在安装编码器系统中，必须确保编码器与电机轴承之间的绝缘安装。

· 电机轴接地采用接地探刷

轴接地探刷由于缩短了轴承与地的距离，这样可大大减小轴电流。

· 变频器输出侧采用电抗器或滤波器

根据实际现场情况选择合适的输出滤波器或电抗器等。

· 电源系统的性质改变

当运行于 IT 系统时，变压器中性点不直接连接到地。本质上，接地连接为纯容性质的，回路阻抗对于流过的高频共模电流形成高阻抗，从而大大减小功率电流和轴电流。对于减小轴电流影响来讲，IT 系统较之接地 TN 系统有优势。

Case1的问题解决：

检查处理现场的接地及等电位连接外，还采取如下措施：

在驱动侧与非驱动侧加装绝缘轴承

Case2的问题解决:

检查处理现场的接地及等电位连接外，还采取如下措施：

将编码器内轴孔与电机连接轴之间加装绝缘套处理。

六.总结

从上述现场实际case可以看到，对于轴电流的影响，就是要解决高频漏电流的路径。如何导引、阻断等手段实现对漏电流的路径控制是解决轴电流的根本思路。通过现场实际的设备状态确定轴电流的性质，从而采用相应的措施。

由于EMC（电磁兼容性）问题的复杂性，分析与处理方法可能会各有不同和不足，对于实际问题的分析，希望能各抒己见，抛砖引玉，深入讨论，以利于进一步处理实际使用中遇到的问题。