变频技术对交流电动机轴电流的影响与预防_郭程

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变频技术对交流电动机轴电流的影响与预防

郭 程

（中国铝业公司山东分公司热电厂，山东 淄博，255061）

[摘 要] 阐述了变频电源中的高频谐波增大了大中型电机的轴电流，分析了高频轴电流的产生机理，提供了轴电流烧损轴承的判断方法。为减少轴电流的危害，提出了转轴绝缘、轴承绝缘和均衡接地电压等防止变频电动机轴电流危害的具体措施。 [关键词] 变频技术；轴电流；预防

[中图分类号] TM34 [文献标识码] B [文章编号] 1000-3983（2008）03-0023-03

The Influence and Prevention of AC Motor Bearing Current in Variable-Frequency Application

GUO Cheng

（Heat Power Plant, Shandong Company of China Aluminum Co.ltd, Zibo 255061, China）

Abstract: This paper discussed that high-frequence pulses in variable-frequence power increased bearing current of high-power motor, analyzed the appearance of high-frequency bearing current, introduced the method to judge burnt bearing due to bearing current. In order to decrease the harm of bearing current, this paper put forward some measures to prevent the harm such as rotor insulation, bearing insulation and poising earthing-volatge.

Key words: variable-frequence technique; bearing current; prevention

的旋转，与轴相交链的磁通交替变化，便产生了轴电

1 引言

压。这种电压是沿轴向而产生的。一般情况下，这种

大型交流电动机运行中产生轴电压是不可避免轴电压大约为1～2 V。 的，轴电流作用在电机轴承上引起轴承烧损的事故并然而，静电荷产生的轴电压是间歇的，并且是非没有引起人们的重视。而且，随着变频技术和大功率、周期的，其大小与运转状态、流体的状态等因素关系高切换频率功率元件的应用，轴电流导致轴承损坏、很大。电动机在运行过程中，负载方面的流体会与运电机振动、发热的情况有迅速上升的趋势。人们往往行的旋转体摩擦而在旋转体上产生静电荷，电荷逐渐只注意从机械配合方面考虑，严格更换新轴承装配工积累便产生轴电压。由这种情况产生的轴电压和由磁艺，忽视了轴电流的预防，导致短时间内连续发生轴

交变所产生的轴电压在机理上是不同的。

承烧损事故，直接影响了电动机运行的可靠寿命，应

轴电压一般不高，通常在8～10V左右。在测定轴

该引起电动机用户和电机制造厂商的关注。

电压时应选用10～20V的高内阻交流电压表，被试电机

2 工频运行下电动机轴电流的形成与危害

2.1 轴电压产生的原因

旋转电机在运行中产生轴电压的原因有轴交链交变磁通和静电荷积累两种。

前者产生的轴电压是连续的、周期性的。通常，电动机的转子在对称的正弦交变磁场中运行，电动机转子切割磁场感应的交变电势所产生的交变电流也是对称的，所以，正常时转子两端间不会有不对称电压的出现。但是，当电动机的定子铁心的圆周方向上的磁阻出现不平衡时，便产生与轴相交链的含有谐波的交变磁通，这时就会产生不对称交变电势。随着磁极

在额定电压下空载运行，如图1所示，用电压表测定轴电压U1，然后将转轴一端与其轴承座短接，测轴承对地的轴电压U2，测点表面应与电压表引线接触良好。

1122U2 U2U11U3 4 54536 6

图1 轴电压的测定

1.轴承室；2.轴承外圈；3.油膜；4.轴承内圈；5.转轴；6.转子

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变频技术对交流电动机轴电流的影响与预防 2008.№3

同时，比较U1和U2可以得知油膜的绝缘状况： 当U1 = U2 说明油膜状态良好。 当U1 > 1.1 U2 说明油膜绝缘不良。

当U1 < U2 电压表测笔放反，校正后再测。2.2 轴电流的形成

大中型交流电动机运行中，转子轴电压一旦形成回路，就会产生轴电流。轴与轴瓦之间采用油润滑，电机轴承是压在油膜上的。由于轴电压幅值较低，油膜的绝缘一般是不会被击穿的。

在转子高速运转过程中，如果出现润滑油油质不合要求，或缺油等情况时，会造成油膜破裂击穿，导致轴与轴瓦形成金属性接触，在接触的瞬间，轴电压会形成闭合回路，形成低电压击穿。这时，产生的轴电流相当大，瞬间可达到几百安甚至上千安，它足以把轴颈和轴瓦烧坏。

由运行摩擦在轴上产生的静电荷的逐渐积累，使轴的电位因被充电而不断升高。当运转的轴接触到旋转体以外的任何部件时，便通过该部件进行放电。如果运转的轴一直不接触旋转体外的部件，会一直积累电荷，最后产生过高的电压。如果该电压超过轴承油膜的绝缘强度，则电荷在极短的时间内放电，形成轴电流。

2.3 轴电流的危害

轴电流会在转轴、轴承内圈、轴承外圈、轴承室构成的回路中流过，最显著的现象是在转轴轴承位置和轴承内圈表面因电弧放电产生的小而深的圆形蚀点。轴电流不但破坏油膜的稳定和油膜形成条件，而且由于放电在转轴和轴承内圈的表面，产生很多蚀点，破坏了转轴与轴承的良好配合，从而造成轴承无法工作。在特殊情况下强大的轴电流会在轴颈和轴瓦的接触面上产生强烈的电弧，导致轴颈和轴瓦损坏情况，造成电机振动和杂响声，最后使电机不能正常运转。

3.2 高频轴电流

现代电机设计和制造工艺增加了许多消除低频轴电流的措施，但是现代交流传动系统由于采用PWM变频供电方式和使用IGBT等快速切换元件，所以在轴承上会产生高频电流脉冲。如果这些脉冲的能量足够高，也会造成轴承的损坏。

典型三相正弦电源是平衡的，三相的矢量和总是等于零。由于PWM电源存在谐波，所以PWM电源的三相输出电压的矢量和不为零，导致中性点的电压不等于零，这个电压定义为共模电压源。这些谐波在转轴、定子绕组和接线部分等产生电磁感应，绕组中点电位可能远离接地点，这种共模电压以高频振荡并与转子容性耦合，产生转轴对地的脉冲电压，峰值可达10～40V[1]。

任何时候，当两个导体通过绝缘体隔离开后就产生电容。电缆的相线与PE线之间有PVC绝缘电容，所以电机绕组与外壳有镀层和片间绝缘有电容。电缆间电容，尤其是电机内部的电缆间电容非常小，小电容意味着对低频的高阻抗，阻止低频杂散电流。然而对于高频电流，即使电机内电容很小，也会产生一个低阻抗通道使电流通过。

3.3 高频轴电流的危害

高频轴电流加大了中大型交流电动机轴电流的幅值，极易造成轴承温升过快、烧损和电机振动等情况的发生。在形式上，高频轴电流又分高频循环电流、轴对地电流和容性放电电流三种。

（1）高频循环电流

定子对地电压含有大量谐波。由于定子与机座之间存在寄生电容，所以存在容性电流，这些容性电流在定子上产生高频磁通，并在电机轴的两端感应出高频电压，一旦击穿轴承油膜，在轴、轴承、定子机座之间形成回路，即高频循环电流。在这种情况下，电机相当于一个变压器，流经定子外壳的共模电流（一次侧），并在转子电路（二次侧），感应出高频循环电流。该轴电流幅值取决于电机的额定功率和交流传动功率元件的du/dt。轴电流的典型峰值为3~20A，最具危害性。

（2）轴对地电流

泄漏到定子机座的电流形成轴对地电流。而任何流回去的回路都含有阻抗，因此电机机座的电压高于电源的地电压。如果电压足够高，能够击穿电机传动侧轴承油膜，轴电流就会流过传动侧轴承，产生高频轴对地电流。

（3）容性放电电流

3 变频运行对轴电流的影响

3.1 低频轴电流

由于交变磁通、静电荷积累以及电机制造中产生的不对称等原因，产生的轴电流往往频率不高，属于低频轴电流。一般而言，交流传动系统都会产生轴电流，大多数系统的轴电流幅值较小，没有达到危害程度。如果系统的轴电流较大，可能会损坏电机轴承。滚动轴承的油膜一般比较薄，对轴电压比较敏感，轴电流流过滚动体与内外圈的细微接触点时，如果电压比较高，内外圈表面的接触面就会出现击穿的情况。一般要求滚动轴承的轴电压小于300mV。

2008.№3 大 电 机 技 术

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共模电压的内部电压分量在电机内部杂散电容上会产生高频轴电压，该电压可能高到会产生高频轴电流脉冲，容易形成容性放电电流。对于大型交流电机，由于定子电流较大，所以感应的轴电流也比较大，容易造成轴承损坏。

4 轴电流的预防措施

4.1 轴电流烧损轴承的分析判断

轴电流的大小对滑动轴承和滚动轴承的影响略有不同。对滑动轴承而言，若轴电流小于10A，基本无烧蚀；轴电流值达10～40A，则只能维持运转3000～12000h。对滚动轴承而言，由于滚珠（滚柱）与轴承内外圈滚道的接触面积小，对轴电流的敏感比滑动轴承更大，轴电流给滚动轴承造成的损伤更厉害。当轴电流大于2A时，几小时内即可能损伤；若轴电流达1～1.4A，轴承只能继续运转200～700h；轴电流只有低于1A时，一般滚动轴承才能稳定运行。

电动机所容许的轴电压、轴电流的大小与轴承类型、运行状态、润滑油质、转速、安装质量、现场运行环境和轴电流流经路径的阻抗等许多因素有关。一般来说，若轴两端产生的轴电压达到500mV，就容易产生有害的轴电流。美国NEMAMGI标准规定，按IEEE112标准进行试验，如果轴电压峰值大于300mV即需采取绝缘措施[2]。

判断是否因轴电流导致轴承烧损的主要依据是检查轴承表面痕迹。凡是轴电流引起的烧伤，在其轴承内外圈跑道上会出现像搓板样的条形烧伤痕迹，这是轴电流对滚动轴承破坏的典型特征。同时其表面还伴有麻点、伤痕，有的甚至还有裂纹出现；电机轴承温度上升很快，并伴有润滑油脂的流出。

造成搓板样的烧痕是由于滚柱或滚珠在轴承圈的跑道上滚动和辗压跑道时，在辗压接触地方接触电阻很小，并将润滑脂挤向两侧，当滚动体将要离开原位置时，产生小间隙。轴电流放电在转轴和轴承内圈的表面，产生很多蚀点，将跑道表面烧成线条状痕迹。线条的个数与轴电流频率、电机转速和轴承内状况有关。当后来的滚动体继续向前转动时，因辗压使烧痕压平、压光，所以跑道表面会出现光亮。

4.2 轴电流的预防措施

（1）电机轴的绝缘

采用滚动轴承结构的电机转轴的前后轴承台及其轴肩采取绝缘措施，如等离子均匀喷涂50～100µm厚的高性能耐热陶瓷绝缘层。为了切断电动机的轴与负载机械、连轴辅助装置如测速计、编码器之间形成轴

电流的通路，还必须采取一些特殊措施，如对直接联接在电动机轴上的连轴器加以绝缘等。

（2）轴承的绝缘措施

采用滚动轴承结构的电动机应选用绝缘轴承。最简单的办法是在轴承内圈内表面和端面用等离子喷涂法均匀喷涂50～100µm厚的高性能绝缘层。如果在轴承外圈外表面和两端面上喷涂绝缘层，容易在拆装端盖时划伤，从而丧失绝缘能力。采用滑动轴承的结构，传统方法是在固定轴承部位加垫环氧玻璃布板等。进出油的管道加绝缘管接头[3]。

也可在端盖轴承室加套，套与端盖间夹垫绝缘层，紧固内外盖的螺栓加绝缘套管和绝缘垫等，这种结构和工艺都相对复杂。具体方法如下：用车床将原轴承套外径车深6～7mm，并在轴承套上滚花。轴承套凸缘部分车薄2mm。然后用无纬玻璃丝带或“H-4”胶浸玻璃丝带去包轴承套的外圆，做出的外径尺寸比原外径尺寸大2～3mm。将其放在130±5℃烘炉内烘24h，再用车床将轴承外套及其上形成的玻璃钢车至原轴承套尺寸;用2mm厚的环氧玻璃布板制成垫圈，其内圆等于轴承套外径，外圆比轴承套最大外圆大2mm，将其套在轴承套的凸缘上；同时将固定轴承套的螺杆加上绝缘套和绝缘垫圈。最后，将轴承安装在电机上，就把轴电流与电机端盖的回路完全隔断了。

（3）均衡接地电压

由于存在杂散电容，在同一根电缆的屏蔽层(都已接地)两端的对地电压实际上并不完全相等，这样在电缆上存在电压降，就会存在电流。通过均衡接地电压，降低电缆屏蔽层上的压降，可以降低流经轴承的电流。具体做法是在现场安装一个共用接地母排，然后将各电机接地端子与之相连接，降低电压降。另外，选用线径为1.5～2.5倍电源线径的地线，电缆的屏蔽层选用铜编制带，屏蔽层的总截面积应不小于相线的1/2。降低电机电缆屏蔽线的接地电阻，从而使电缆上部分电流在通过轴承之前接地，分流轴承电流。

（4）辅助措施

对逆变器供电的调速系统加装高频滤波器，或者给变频调速装置加设共模滤波电路，保证带宽10kHz以上。如果变频电机轴头安装如测速计、编码器等辅助装置时，不但电动机非传动端轴承需采取绝缘措施，传动端也需进行绝缘，以切断轴电流通过传动端轴承构成回路。

如果上述各绝缘措施因故不便实施或达不到要

（下转第30页）

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无位置传感器直流无刷电机的退磁控制 2008.№3

因此反电动势过零检测法通常采用下臂恒通，上臂加载PWM的调制方式。换相后，进入退磁阶段，若采用上臂T0加载PWM信号，由上述推理方法可得中性点电位为1/3HV。若采用下臂T5加载PWM信号，则可得中性点电位为HV。因为退磁阶段加最大反向电压，可以加速退磁过程，缩短退磁时间，而Σ1阶段断电绕组C的续流方向为C—M（中性点），所以最大反向电压即为中性点电压最高。因此进入Σ1阶段，先采用下臂T5加载PWM信号加速退磁过程，此时断电绕组C的端电压被钳制于HV,当退磁过程完毕，续流电流为0，绕组C的端电压恢复正常，体现为反向感应电动势的值，通过检测绕组C端电压的电平变化就可以判断退磁过程结束，再采用下臂T5恒通，上臂T0加载PWM的调制方式进行反电势过零检测即可。而传统调用延时程序避过退磁过程的方法，存在时间不精确，缩短了反电势过零检测有效时间的缺点。采用同样的推理方法，可以得到各个阶段对应的退磁过程PWM配置，如表2。

表1 三相六步驱动通电绕组和功率管导通顺序

驱动步骤 通电绕组 导通功率管

上臂 下臂

Σ1

Σ2

Σ3

Σ4

Σ5

Σ6

A-B A-C B-C B-A C-A C-BT0 T0 T2 T2 T4 T4T5 T5 T1 T3 T3 T5

端具有最大反向电压，能加速断电相绕组的退磁过程，保证充分的反电势过零检测的时间，大大提高了电机的稳定性。

表2 退磁过程PWM配置

驱动步骤 导通功率管

上臂下臂

退磁阶段PWM配置

Σ1

Σ2

Σ3

Σ4

Σ5

Σ6T4T5T4

T0 T0 T2 T2 T4T5 T1 T1 T3 T3T5

T0 T1 T2 T3

[参 考 文 献]

[1] 张琛. 直流无刷电动机原理及应用[M]. 北京: 机

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[2] 顾绳谷. 电机及拖动基础[M]. 北京: 机械工业出

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[3] 雍爱霞, 孙佩石. 无刷直流电机控制的简易方法

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[5] 堵杰. 无位置传感器无刷直流电机控制技术的研

究和应用[D]. 上海大学硕士学位论文, 2002.

[收稿日期] 2007-07-20

[作者简介]

向加其（1982-），2004年毕业于合肥电子工程学院电路与系统专业，现就读合肥电子工程学院电路与系统专业，硕士研究生。

5 结论

换相后退磁过程的存在，使得用于反电势过零检

测的时间大大减少，电机准确换相得不到保证。在换 相后的退磁阶段采用适当的PWM配置，使断电绕组

************************************************************************************************* (上接第25页)

求，可在电动机两端轴承的内侧加装接地电刷，将轴[参 考 文 献]

[1] 梁庆信译. 感应轴承电流[J]. 中小型电机, 2002, 电流导入地中，避免电动机轴承烧坏，保护辅助装置

(3). 和监测装置的安全。

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5 结束语 2004.

[3] 陈世坤.电机设计[M]. 北京: 机械工业出版社，

交流大型电动机产生轴电压是较严重的设备隐1992. 患，由轴电压形成的轴电流威胁着设备的安全运行。[收稿日期]2007-07-30 而随着大功率、高切换频率功率元件的运用逐渐普及，[作者简介]

郭程（1976-），1997年毕业于山东工程学院变频电源在转轴上产生相当大的高频轴电流，加剧了

电气技术专业，获学士学位，2005年获得山轴承的损坏。为减少轴电流的危害，要根据变频电源

东大学机电专业工程硕士学位，长期从事热供电的品质、电机大小、轴承类型以及变频电动机的

电厂电气设备运行、检修工作，电气工程师。 轴电压大小等具体情况，采取相应措施，延长轴承的

运转寿命，提高变频电动机运行的可靠性。