PWM调频电机轴承电蚀原理与绝缘防护指标

卢斐铭

(上海新邦轴承有限公司 技术部，上海 201411)

随PWM(脉冲宽度调制)技术与IGBT(绝缘栅双极型晶体管)在电动机中的广泛使用，轴承电蚀等电磁损伤现象引起的问题也愈加突出。为解决这一问题，设计了绝缘电机轴承。在此，对电机轴承电蚀原理进行了分析，并介绍了绝缘电机轴承的各项性能指标。

1 轴承电蚀原理分析

1.1 共模电压

三相电动机在运行过程中，由于三相均衡等原因会产生共模电压，共模电压由电动机三相绕组的电压矢量和构成，即

(1)

式中：Vcom为共模电压；Va，Vb，Vc为电动机三相绕组电压。

当三相电动机在工频正弦交流电下工作时，三相电压矢量方向相互夹角为120°且幅值相等，故在任意时间点三相电压矢量和,即共模电压为0。采用PWM技术与IGBT元件的变频调速电动机变频调速时，工频交流电通过变频器进行调频模拟正弦电，其各相波形不是正弦波，而由一序列幅值相同但宽度不同的脉冲进行近似模拟。在任意时间逆变器都有3个开、关动作，共8种开关状态，其通过IGBT实现，这就造成三相电压不均衡，从而产生较大的共模电压, 共模电压是造成轴承电磁损伤的主要原因。

PWM调制原理[1]22如图1所示，三角波uc作为载波，当其与正弦调制信号波uru,urv,urw相交时，在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，形成对应的uu,uv,uw的PWM波。用1，0分别表示任意时间逆变器都有3个开、关动作，开关的通断共8种状态:000，001，010，011，100，101，110，111。共模电压波形Uag在8种开关状态下会产生4个幅值的共模电压，即

图1 PWM调制原理Fig.1 PWM modulation principle

式中：Vm为三相电压值。

1.2 电流

(3)

式中：Q为电荷；C为电容。

(3)式对时间t求导得

(4)

即电流为

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(6)

即

(7)

1.2.2 EDM电流

(8)

式中：Zb为轴承电抗，在油膜击穿的情况下Zb近似为一个很小的线性电阻。

1.3 电蚀原理

图2 润滑脂变质、乏油、碳化现象Fig.2 Deterioration, starved oil, carbonization of grease

图3 电蚀引起的齿状电蚀Fig.3 Teeth electrical erosion caused by electric erosion

图4 EDM电流造成的电蚀坑微观形貌Fig.4 Micro-morphology of electrical erosion pit caused by EDM current

PWM逆变器的电机轴承寿命为[2]

Lelec=7 867 204×10-2.17ρB，

(9)

式中：ρB为轴承电流密度。

由(9)式可知:轴承寿命与电流密度密切相关。经验表明：在电流密度小于0.1 A/mm2时轴承没有电蚀风险；当电流密度大于0.1 A/mm2时会出现滚道电蚀，从而影响轴承寿命[3]。

2 轴承等效电路

滚动轴承内、外圈与滚动体材料通常为轴承钢，可近似为一个很小的线性电阻，轴承运行时滚动体与内、外圈之间会存在油膜，可近似为一个油膜电容(图5)。等效电路图如图6所示，在油膜击穿时，油膜电容视为短路，由于轴承电阻率很小，瞬间放电时电流将轻易超过0.1 A/mm2的阈值。

图5 普通轴承结构示意图Fig.5 Structure diagram of ordinary bearing

图6 普通轴承等效电路图Fig.6 Equivalent circuit diagram of ordinary bearing

以一般的外圈涂覆绝缘涂层的绝缘轴承为例，其结构如图7所示。其中绝缘涂层可视为一个电阻与电容的并联结构，绝缘轴承的等效电路图如图8所示。

图7 外圈绝缘的绝缘轴承结构Fig.7 Structure of insulation bearing with outer ring insulation

图8 绝缘轴承等效电路图Fig.8 Equivalent circuit diagram of insulation bearing

当绝缘层电阻足够大时，EDM电流较小，EDM电流可近似为

(10)

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3 绝缘轴承各绝缘性能指标分析

3.1 涂层绝缘电阻

根据(10)式可知，涂层绝缘电阻是影响EDM电流的主要因素。涂层在工作电压下要具有良好的绝缘性能，一般要求在直流工作电压加载下阻值达到500 MΩ以上。

3.2 交流耐压值

由于绝缘轴承实际工况下共模电压是一个交变电压，故要求涂层能够在交流电加载下不会被击穿，一般要求在2 500 V或以上的交流电压加载下不发生击穿现象。

3.3 涂层电容

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式中：ε为绝缘材质介电常数；S为极板面积；d为极板间距；K为电容常数。

对于外径为D，宽度为B的圆柱滚子轴承，外圈绝缘涂层厚度为h时

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4 结束语