李勇

（西門子交通技術(shù)（北京）有限公司上海分公司，上海200082）

1 概述

交流電機(jī)設(shè)計(jì)久經(jīng)考驗(yàn)、長(zhǎng)期可靠運(yùn)行所需維護(hù)小、而且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于城市軌道車輛牽引系統(tǒng)中。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率半導(dǎo)體器件的逆變器因具有穩(wěn)定、開關(guān)損耗低等優(yōu)點(diǎn)，作為交流電機(jī)供電電源，在軌道車輛中廣泛使用。近年多有用戶反映PWM 逆變器供電的牽引電機(jī)上，電機(jī)軸承發(fā)生電腐蝕失效，最終導(dǎo)致牽引電機(jī)抱死、車輪擦傷等影響車輛運(yùn)營(yíng)案例。初步調(diào)查發(fā)現(xiàn)逆變器供電電機(jī)軸承上過大的軸電壓、軸承電流與軸承電腐蝕失效有很大關(guān)聯(lián)，本文闡述了電機(jī)軸承電腐蝕失效的有關(guān)機(jī)理，并直接給出相應(yīng)的防范建議。

2 軸電壓和軸承電流產(chǎn)生機(jī)制

交流電機(jī)產(chǎn)生軸電壓和軸承電流的兩個(gè)主要原因：

制造過程（包括公差、材料等）導(dǎo)致的不對(duì)稱磁場(chǎng)（電機(jī)本身因素）；

供電電壓影響（外部因素）。

2.1 磁場(chǎng)不對(duì)稱導(dǎo)致的軸電壓和軸承電流

交流異步電機(jī)在正弦交變的電壓下運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)子處在正弦交變的磁場(chǎng)中。由于電機(jī)制造公差，磁性材料各向異性、定轉(zhuǎn)子扇形沖片、硅鋼片疊裝、通風(fēng)孔等工藝因素的存在，在磁路中造成不平衡的磁阻。當(dāng)電機(jī)的定子鐵芯圓周方向上的磁阻發(fā)生不平衡時(shí)，便產(chǎn)生與軸相交鏈的交變磁通，從而產(chǎn)生交變電勢(shì)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)即磁極旋轉(zhuǎn)，通過各磁極的磁通發(fā)生了變化，在軸的兩端感應(yīng)出軸電壓。這種電壓是延軸向而產(chǎn)生的，如果與軸兩側(cè)的軸承形成閉合回路，就產(chǎn)生了軸電流。

2.2 供電電壓導(dǎo)致的軸電壓和軸承電流

交流電機(jī)由GTO 或者IGBT 逆變器供電，其逆變器輸出的附加共模電壓具有開關(guān)功率器件一樣的頻率，其快速變化的電壓會(huì)導(dǎo)致在電機(jī)內(nèi)形成雜散電容，進(jìn)而導(dǎo)致軸電壓和軸承電流等附加效應(yīng)。

由于軌道車輛用逆變器輸出電壓變化率高達(dá)5KV/μs，開關(guān)頻率高至400Hz 到1.5kHz ，因此在對(duì)牽引系統(tǒng)分析時(shí)，對(duì)電機(jī)模型化，不僅要考慮其具有歐姆特性，還必須要考慮電機(jī)的雜散電容。三相交流電機(jī)主要的雜散電容分布如圖1 所示。

圖1 牽引逆變器供電下感應(yīng)電機(jī)雜散電容分布

Csf——定子繞組與電機(jī)外殼之間的電容；

Csr——定子繞組與轉(zhuǎn)子軸之間的電容；

Crf——轉(zhuǎn)子軸到電機(jī)外殼之間的電容；

Cbi——絕緣軸承電容；

Cb——潤(rùn)滑油膜電容。

牽引逆變器供電情況下，由于雜散電容的耦合作用和牽引回流電路設(shè)計(jì)，導(dǎo)致電機(jī)軸電壓和軸承電流有不同的產(chǎn)生機(jī)理。

2.2.1 電容性放電軸承電流

電容性放電軸承電流通常包括軸承電容性放電電流和放電加工（EDM）電流。共模電壓變化率及其幅值分別對(duì)軸承電容性放電電流和放電加工電流產(chǎn)生影響。功率器件開關(guān)動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變的共模電壓。加于軸承絕緣層電容Cbi（如果有）或者潤(rùn)滑油膜電容Cb 上，共模電壓變化率du/dt 會(huì)導(dǎo)致軸承電容性放電電流Ic，其值：

此外，交變的共模電壓產(chǎn)生的共模電流通過電容Csr 流向轉(zhuǎn)子，最后通過軸承回到接地的定子外殼上，此軸承電流稱之為放電加工電流，等效電路圖如圖2 所示。

2.2.2 循環(huán)的軸承電流

電機(jī)中的最大雜散電容是定子繞組和外殼之間的電容Csf。共模電壓的每次變化，有電流流過電容Csf，在由轉(zhuǎn)軸、兩個(gè)軸承、軸承防塵圈和外殼組成的封閉路徑中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，并形成一個(gè)循環(huán)的軸承電流，如圖3 所示的等效電路圖。

圖2 放電加工電流等效電路圖

圖3 循環(huán)軸承電流等效電路圖

圖4 軸承接地電流等效電路圖

2.2.3 軸承接地電流

電機(jī)雜散電容Csf 上的共模電流通過可能的接地回路回流。而通過軸承接地回流的共模電流，稱為軸承接地電流。圖4 為一個(gè)軸承接地電流等效電路。其中電感Lfe 代表定子外殼接地回路的電感（阻抗）。由于感抗的存在，接地回流電流I1 和I2 會(huì)導(dǎo)致電機(jī)外殼對(duì)地產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓導(dǎo)致電流I3 通過軸承和軸回地，此電流對(duì)軸承有害，并可能會(huì)導(dǎo)致電磁兼容問題。

2.2.4 牽引回流軸承電流

牽引系統(tǒng)回流電流不僅通過車輛接地電刷流回軌道，部分牽引回流電流可能通過電機(jī)的軸承流向?qū)к?，這取決于車輛接地原理設(shè)計(jì)。因此，在車輛電氣設(shè)計(jì)時(shí)，需要認(rèn)真考慮接地電阻的選取，以防止過大牽引回流電流通過軸承，造成軸承損傷。

3 軸電壓和軸承電流對(duì)軸承的影響（電腐蝕失效）

軸承運(yùn)行時(shí)通常在其工作表面帶有一薄層潤(rùn)滑脂，其擊穿電壓取決于油脂類型、溫度、粘度和潤(rùn)滑油膜厚度等因素。測(cè)量表明當(dāng)電壓達(dá)到30-50Vpeak時(shí)候，潤(rùn)滑脂膜可能被擊穿，電流流過軸承。對(duì)于電容性電源，其阻抗相對(duì)高，軸承表面的腐蝕是逐漸出現(xiàn)并惡化的。軸電壓從側(cè)面反映出可能的軸承電流大小，當(dāng)電流通過接觸表面，電流聚集在接觸點(diǎn)上，導(dǎo)致其局部電流密度高，產(chǎn)生電弧。電弧導(dǎo)致其接觸面有局部金屬熔融，產(chǎn)生電腐蝕，最終在軸承滾道上形成點(diǎn)蝕和波浪紋排列的電蝕溝痕，如圖5 所示。軸承滾道表面變粗糙，會(huì)加速其機(jī)械磨損，同時(shí)電弧導(dǎo)致軸承潤(rùn)滑脂失去其純度，加速其老化和過早失效，最終導(dǎo)致軸承疲勞失效。

4 軸電壓和軸承電流的預(yù)防措施

4.1 嚴(yán)格的機(jī)械組裝流程與合理的電氣和機(jī)械安裝

電機(jī)廠家在制造過程中，嚴(yán)格安裝制造工藝和要求，選擇材料，控制制造誤差，限制電機(jī)因不對(duì)稱等結(jié)構(gòu)問題導(dǎo)致的典型的軸電壓和軸承電流。合理的電機(jī)電氣安裝方案可以避免或者減少軸電壓和軸承電流。原則上就是在主接地回路上確保盡可能低的阻抗，來(lái)避免雜散電流通過軸承回流到地。例如對(duì)于三相交流電機(jī)，使用屏蔽電纜作為動(dòng)力電纜，選擇合適的電纜密封套，使之屏蔽電纜接地可靠，保證功能性接地回路低阻抗；同時(shí)保護(hù)性接地回路選擇屏蔽電纜或者編織帶，保證接地回路盡可能低的阻抗。在設(shè)計(jì)軌道車輛接地概念時(shí)，需要考慮電機(jī)軸承因素，進(jìn)行合理的接地概念設(shè)計(jì)，有效的減少高頻諧波電流流過軸承，從而防止軸承發(fā)生電腐蝕。此外，在電機(jī)外殼和聯(lián)軸節(jié)與齒輪箱之間等電勢(shì)連接（通過連接導(dǎo)線或者電機(jī)外殼與驅(qū)動(dòng)機(jī)械外殼直接螺栓相連），形成電機(jī)外殼與驅(qū)動(dòng)機(jī)械直接可靠的機(jī)械電氣連接，也可減少軸承接地電流，此措施經(jīng)濟(jì)并且切實(shí)可行。

4.2 對(duì)逆變器輸出電壓和共模電壓進(jìn)行濾波處理

通過添加用來(lái)衰減高頻共模電壓的濾波器，控制逆變器的輸出電壓變化率，修正其波形，從源頭上減少共模電壓激勵(lì)源，從而極大地抑制軸電壓和軸承電流。此類濾波器成本較昂貴，需要額外在逆變器輸出電路中安裝此設(shè)備，且會(huì)導(dǎo)致逆變器輸出有壓降和輸出電壓受限。

4.3 改善逆變器開關(guān)頻率

城軌車輛用逆變器開關(guān)頻率在400Hz - 1.5 kHz。如果逆變器允許修正開關(guān)頻率，在不影響使用情況下，可以通過減少開關(guān)頻率，減少共模電壓。

4.4 安裝轉(zhuǎn)子軸接地碳刷

通過安裝轉(zhuǎn)子軸接地碳刷，使轉(zhuǎn)子和定子之間電勢(shì)差相等，避免軸電壓和軸承電流的產(chǎn)生。轉(zhuǎn)子軸接地碳刷可以考慮安裝在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)端，也可以安裝在非驅(qū)動(dòng)端。試驗(yàn)表明，在車輛加減速階段，配備絕緣軸承的牽引電機(jī)上測(cè)量轉(zhuǎn)子軸電壓峰-峰值，沒有安裝轉(zhuǎn)子軸接地碳刷的瞬時(shí)軸電壓高達(dá)206V，而安裝了轉(zhuǎn)子軸接地碳刷的瞬時(shí)軸電壓控制在10V 以內(nèi)。由于接地導(dǎo)流效果良好，越來(lái)越多的應(yīng)用于城軌車輛電機(jī)上。

4.5 使用混合陶瓷軸承或者陶瓷軸承

在城軌車輛交流傳動(dòng)系統(tǒng)中，通常用兩個(gè)普通的絕緣軸承來(lái)隔絕軸承電流。但是這不會(huì)消除高頻電流問題。為了保證良好的絕緣效果，混合陶瓷軸承或者陶瓷軸承越來(lái)越被電機(jī)制造商作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配置提供。

4.6 轉(zhuǎn)子進(jìn)行靜電屏蔽

在電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙中安裝法拉第屏蔽板，減少定子和轉(zhuǎn)子之間的高頻雜散電流耦合。此方案不能防止循環(huán)軸承電流和軸承接地電流，而且費(fèi)用高昂，制作復(fù)雜。牽引電機(jī)通常不會(huì)使用方案。

5 對(duì)有軸承電腐蝕現(xiàn)象牽引電機(jī)的建議

根據(jù)國(guó)內(nèi)地鐵公司反饋，不同廠家設(shè)計(jì)的牽引電機(jī)，都不同程度的發(fā)生過軸承電腐蝕現(xiàn)象。通過深入分析失效軸承特征及其整個(gè)車輛系統(tǒng)，提出調(diào)整整車接地系統(tǒng)對(duì)應(yīng)元器件選型參數(shù)，達(dá)到減少或者防止可能的牽引回流通過電機(jī)軸承；對(duì)逆變器輸出電壓增加高頻濾波器或者改變已有濾波器對(duì)應(yīng)參數(shù)，抑制共模電壓產(chǎn)生；在電機(jī)驅(qū)動(dòng)端或者非驅(qū)動(dòng)端側(cè)，加裝轉(zhuǎn)子軸接地碳刷，防止可能的軸承電流產(chǎn)生。使用對(duì)壓接工藝要求簡(jiǎn)單、接地可靠的電纜密封套，對(duì)可能導(dǎo)致功能性接地不良的電纜密封套進(jìn)行更換。對(duì)于電腐蝕仍然發(fā)生的電機(jī)軸承，建議在大修期間，更換為絕緣性能更優(yōu)的混合陶瓷軸承，同時(shí)在電機(jī)外殼和聯(lián)軸節(jié)與齒輪箱之間等電勢(shì)連接。實(shí)踐證明，部分或者全部執(zhí)行上述措施，可以有效的防止軸電壓和軸承電流產(chǎn)生。

6 結(jié)論

本文針對(duì)近年來(lái)牽引電機(jī)軸承偶爾發(fā)生電腐蝕失效現(xiàn)象，通過對(duì)牽引電機(jī)軸承電腐蝕產(chǎn)生機(jī)理的研究，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和試驗(yàn)分析，得出預(yù)防牽引電機(jī)軸承電腐蝕失效具體措施，并在具體項(xiàng)目中執(zhí)行，取得預(yù)期效果，延長(zhǎng)了電機(jī)維修周期，保障車輛運(yùn)營(yíng)安全。