<p class="ql-block">01</p><p class="ql-block">導(dǎo)讀</p><p class="ql-block">隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，電驅(qū)動產(chǎn)品也在不斷迭代，各家廠商推出的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)類型多種多樣，但不管結(jié)構(gòu)如何變化，軸承作為支撐電驅(qū)旋轉(zhuǎn)的重要零件，都是必不可少的。而其常出現(xiàn)的電蝕問題，也是工程師們無法回避的。電蝕，全稱“電腐蝕”，這個問題其實(shí)并不是新能源電驅(qū)動產(chǎn)品特有的，早在上世紀(jì)，就在采用了變頻器驅(qū)動的工業(yè)電機(jī)產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)了。本文我們聊聊電機(jī)軸承的電蝕問題。</p> <p class="ql-block">02</p><p class="ql-block">電蝕的表現(xiàn)</p><p class="ql-block">關(guān)于電機(jī)軸承電蝕的表現(xiàn)，本文將依照電蝕發(fā)生、發(fā)現(xiàn)、分析的過程，分別從運(yùn)行表現(xiàn)、宏觀表現(xiàn)、微觀表現(xiàn)三個維度來展開。</p><p class="ql-block">運(yùn)行表現(xiàn)：電蝕發(fā)生時，電驅(qū)運(yùn)行表現(xiàn)為：溫度升高、噪聲明顯、振動增加，此時如果用專業(yè)的振動測試設(shè)備、軟件進(jìn)行測量分析，會發(fā)現(xiàn)軸承特征階次的振動幅值明顯增加。</p><p class="ql-block">宏觀表現(xiàn)：對電驅(qū)產(chǎn)品進(jìn)行拆解，取下軸承并拆開后會發(fā)現(xiàn)油脂發(fā)黑碳化跡象、滾動體表面暗沉、不再光亮，嚴(yán)重的時候還會在滾道看到搓衣板狀的凹槽，俗稱“搓板紋”。</p> <p class="ql-block"> 微觀表現(xiàn)：用掃描電鏡對滾動體和滾道表面進(jìn)行觀察會發(fā)現(xiàn)許多麻點(diǎn)凹坑，表現(xiàn)為高溫熔融狀態(tài)。</p> <p class="ql-block"> 以上的表現(xiàn)其實(shí)也是電機(jī)軸承發(fā)生電蝕的危害，對于對振動、噪聲不敏感的普通用戶來說，發(fā)現(xiàn)問題往往已經(jīng)是軸承壽命后期、甚至是軸承完全損毀，電機(jī)掃膛，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。</p> <p class="ql-block">03</p><p class="ql-block">電蝕的機(jī)理</p><p class="ql-block">軸承發(fā)生電蝕的機(jī)理是軸承內(nèi)外圈之間存在一定大小的軸電壓，擊穿油膜放電，產(chǎn)生電弧，本質(zhì)就是電火花加工（EDM）。要理解這個機(jī)理，就需要進(jìn)一步探究。首先，看下軸承運(yùn)行在不同轉(zhuǎn)速的情況下，其內(nèi)部潤滑的狀態(tài)。</p> <p class="ql-block">OA段：軸承在未運(yùn)轉(zhuǎn)或低轉(zhuǎn)速時，油膜沒有建立，金屬和金屬直接接觸，此時軸承在電路中表現(xiàn)為阻抗性質(zhì)。</p><p class="ql-block">AB段：軸承滾動體和滾道之間處于邊界潤滑狀態(tài)，既有金屬和金屬的直接接觸，又有通過油膜隔離的接觸。此時軸承在電路中表現(xiàn)為容抗和阻抗的性質(zhì)。</p><p class="ql-block">在OA段和AB段，軸承兩端的電壓是非常小的，并且表現(xiàn)更多的是金屬與金屬接觸的阻抗性質(zhì)，電流公式為：</p> <p class="ql-block">該電流數(shù)值較小，可以看做是小電流流過金屬導(dǎo)體，對軸承不會造成損害。</p><p class="ql-block">越過B點(diǎn)：電機(jī)處于高速運(yùn)行，軸承內(nèi)部溫度上升，潤滑脂中的稠化劑將潤滑油釋放出來，軸承滾道和滾動體之間被油膜完全分離，中間沒有金屬和金屬的直接接觸，處于流體動壓潤滑狀態(tài)。此時軸承在電路中表現(xiàn)為容抗的性質(zhì)。</p><p class="ql-block">若軸電壓較小未達(dá)到擊穿油膜的電壓閾值，軸承的電阻為兆歐級，流過軸承的電流就是電容充放電電流：</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block">一般這個數(shù)值很小，也不會對軸承產(chǎn)生損害。</p><p class="ql-block">若軸電壓達(dá)到擊穿油膜的電壓閾值，那么就會在滾動體和內(nèi)外圈之間發(fā)生放電，瞬間產(chǎn)生電火花，溫度會非常高，潤滑脂燃燒高溫碳化，滾動體和滾道表面材料熔化、移失。本質(zhì)其實(shí)就是電火花加工，所以這種軸電流又稱“EDM電流”。</p> <p class="ql-block">綜合上述我們了解到，電蝕發(fā)生的本質(zhì)是軸承內(nèi)外圈之間的軸電壓達(dá)到擊穿油膜的電壓閾值，發(fā)生EDM放電，對軸承產(chǎn)生損害。那么，這個軸電壓是如何產(chǎn)生的呢？</p> <p class="ql-block">產(chǎn)生軸電壓的幾個典型因素</p> <p class="ql-block">01</p><p class="ql-block">電磁不平衡</p><p class="ql-block">驅(qū)動電機(jī)由于扇形沖片、硅鋼片等疊裝，鐵芯槽、磁鋼等不一致以及定轉(zhuǎn)子之間的氣息不均勻等因素，導(dǎo)致通過轉(zhuǎn)子鐵芯的磁路不平衡，在轉(zhuǎn)子軸周圍產(chǎn)生交變磁通，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，由于通過轉(zhuǎn)子軸的磁通發(fā)生變化，在軸的兩端就會形成感應(yīng)電壓。這種軸電壓比較小，一般形成的是低頻環(huán)路電流。</p> <p class="ql-block">Tips:</p><p class="ql-block">電磁感應(yīng)（Electromagneticinduction）現(xiàn)象是指放在變化磁通量中的導(dǎo)體，會產(chǎn)生電動勢。此電動勢稱為感應(yīng)電動勢，若將此導(dǎo)體閉合成一回路，則該電動勢會驅(qū)使電子流動，形成感應(yīng)電流。</p> <p class="ql-block">02</p><p class="ql-block">電容分壓</p><p class="ql-block">在展開之前，先引入共模電壓的概念：</p><p class="ql-block">共模電壓(common modevoltage)：在每一導(dǎo)體和所規(guī)定的參照點(diǎn)之間（往往是大地或機(jī)架）出現(xiàn)的相量電壓的平均值?；蛘哒f同時加在電壓表兩測量端和規(guī)定公共端之間的那部分輸入電壓的三分之一，即(Va+Vb+Vc)/3。</p><p class="ql-block">對于采用Y型接法的驅(qū)動電機(jī)來說，共模電壓就是中性點(diǎn)對地電壓。在工頻供電的電機(jī)系統(tǒng)中，三相電壓波形近乎為正弦波形，頻率、相位（相差120°）、幅值是平衡的，在每一時刻中性點(diǎn)對地電壓都幾乎為零。</p> <p class="ql-block">而在采用SVPWM波驅(qū)動的電機(jī)系統(tǒng)中，其正弦波是通過不同寬度的方波等效得來的。此時，三相電在任意時刻的和，即中性點(diǎn)對地電壓都不為零。</p> <p class="ql-block">結(jié)論：對于采用SVPWM驅(qū)動電機(jī)來說，其必定存在一個不為零的共模電壓。</p><p class="ql-block">在電機(jī)中，由于定子繞組絕緣漆包線、絕緣紙、定轉(zhuǎn)子氣隙的存在，其內(nèi)部存在諸多寄生電容，如下圖所示。</p> <p class="ql-block">在逆變器采用SVPWM波驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)中，其模型可簡化為下圖，其中電機(jī)外殼接地。</p> <p class="ql-block">Cwf：定子繞組和定子鐵芯的耦合電容；</p><p class="ql-block">Cwr：定子繞組和轉(zhuǎn)子的耦合電容；</p><p class="ql-block">Crf：轉(zhuǎn)子和定子鐵芯的耦合電容；</p><p class="ql-block">Cb：驅(qū)動端軸承等效電容；</p><p class="ql-block">Cnb：非驅(qū)動端軸承等效電容；</p><p class="ql-block">Un：電機(jī)定子繞組中性點(diǎn)電壓，即共模電壓圖片；</p><p class="ql-block">Ub：轉(zhuǎn)軸及軸承內(nèi)圈對地的電壓。</p><p class="ql-block">軸承對地電壓與電機(jī)共模電壓之間存在約束關(guān)系，二者的比值定義為軸承分壓比(Bearing Voltage Ratio，BVR)。</p> <p class="ql-block">ub的大小決定了軸承油膜是否會擊穿，以及是否會產(chǎn)生EDM軸電流。</p> <p class="ql-block">03</p><p class="ql-block">高頻dv/dt產(chǎn)生感應(yīng)軸電壓</p><p class="ql-block">上文提到定子繞組與定子鐵芯之間存在電容，共模電壓本身作為交流電，將會通過該電容，并與機(jī)殼和大地形成共模電流回路，也稱對地電流。該共模電流引起的共模磁通在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸兩端感應(yīng)出超過軸承油膜閾值電壓的軸電壓，便會擊穿軸承油膜，形成高頻環(huán)路軸電流。</p> <p class="ql-block">上文講到電蝕元兇-軸電壓是如何產(chǎn)生的？那么，軸電壓是如何測試的呢？軸電流的測試又有哪些難點(diǎn)和要點(diǎn)呢？軸電壓、軸電流引起的電蝕問題又有哪些措施可解決呢？</p> <p class="ql-block">01</p><p class="ql-block">測試方案</p><p class="ql-block">軸電壓測試</p><p class="ql-block">軸電壓的測試比較簡單，市場上有專門的測試設(shè)備，也有電機(jī)軸承供應(yīng)商提供的軸電壓測試服務(wù)。</p><p class="ql-block">基本思路是：一端利用碳刷與電機(jī)軸接觸，另一端用導(dǎo)線與電機(jī)底座連接。那么測得的電壓就是軸承兩端的軸電壓，電機(jī)運(yùn)行過程中軸電壓的數(shù)據(jù)顯示在數(shù)采儀或示波器上。</p> <p class="ql-block">軸電流測試</p><p class="ql-block">由于電機(jī)軸承安裝在電驅(qū)動總成的內(nèi)部，正常運(yùn)行時，其處于一封閉空間，目前尚無法直接測量軸電流。為了測量通過軸承的電流，需對電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，構(gòu)建軸承電流的流通路徑，測量該路徑的電流，即為通過該軸承的軸電流。一種可行方案如下圖所示：</p> <p class="ql-block">其中，關(guān)鍵是將軸承外圈與電機(jī)總成殼體絕緣，殼體接地，分別通過電流鉗測量流過電機(jī)前后軸承的電流。</p><p class="ql-block">在實(shí)際測試前，需在電機(jī)底架與被驅(qū)動設(shè)備之間進(jìn)行絕緣處理，隔離對測試的干擾，如在傳動軸與被測設(shè)備連接的法蘭處進(jìn)行絕緣隔離。</p> <p class="ql-block">測試工況</p><p class="ql-block">關(guān)于測試工況，建議從起步加速、最高轉(zhuǎn)速和耐久循環(huán)多速度工況幾個方面入手，進(jìn)行工況設(shè)計(jì)。另外，需要著重考慮軸承溫度和轉(zhuǎn)速對油膜厚度和介電強(qiáng)度的影響，不同的油膜厚度和介電強(qiáng)度，擊穿電壓有所區(qū)別。</p><p class="ql-block">以下是某款油脂在不同轉(zhuǎn)速、溫度下的油膜厚度和介電強(qiáng)度變化曲線。</p> <p class="ql-block">相同轉(zhuǎn)速1500rpm：</p><p class="ql-block">1.在溫度20℃時，油膜厚度為：1.4μm，介電強(qiáng)度為：14.5kV/mm，擊穿電壓則為：20.3V。</p><p class="ql-block">2.在溫度60℃時，油膜厚度為：0.24μm，介電強(qiáng)度為：62kV/mm，擊穿電壓則為：14.88V。</p><p class="ql-block">另外，從圖中也可以看出，對于該款油脂，若軸電壓小于3V，則油膜不會發(fā)生擊穿。不同的油脂，不同的使用環(huán)境、運(yùn)行工況，擊穿電壓閾值都會有所變化，這個需要在電驅(qū)系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時候綜合考慮。</p> <p class="ql-block">02</p><p class="ql-block">解決措施</p><p class="ql-block">電蝕的發(fā)生是由于在軸承內(nèi)外圈之間產(chǎn)生了因電磁不平衡、共模電壓等因素產(chǎn)生的軸電壓大于油膜擊穿電壓，產(chǎn)生了EDM放電電流。</p><p class="ql-block">解決該問題的方案主要有“防”和“堵”兩種方式，或者防堵結(jié)合。</p> <p class="ql-block">其中，在控制器和電機(jī)之間增加AC Filter（交流濾波器）雖然能通過修正控制器輸出波形，減小共模電壓，但該方案成本較高，并且只是降低，而不是完全消除共模電壓。</p> <p class="ql-block">雖然有這么多的可選方案，但每一種方案均有一定的缺點(diǎn)，在選擇時，需要綜合考慮設(shè)計(jì)可行性、可靠性、維護(hù)、成本等多個方面。目前用的比較多是導(dǎo)電接地環(huán)，直接將電流通過碳刷流入接地殼體。另外，陶瓷軸承雖然是非常不錯的方案，但在行業(yè)競爭如此激烈的形勢下，昂貴的價格勸退了絕大多數(shù)的客戶。</p> <p class="ql-block">其實(shí)，軸電壓、軸電流在電驅(qū)系統(tǒng)中并不是一個獨(dú)立的問題，軸電流產(chǎn)生的電蝕會導(dǎo)致NVH問題，過大的軸電流也會引起EMC問題，在EMC中常用的共模扼流圈也能一定程度降低瞬態(tài)共模電壓。</p> <p class="ql-block">感謝閱讀，不足之處敬請指出！</p>