徐偉堂 吳彬彬

（廣東美的制冷設(shè)備有限公司 佛山 528311）

引言

BLDC 電機(jī)由于其高效率、低噪音、長(zhǎng)壽命等優(yōu)良優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21 世紀(jì)最有發(fā)展前途及廣泛應(yīng)用前景的電子控制電機(jī)。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)用電子換向裝置替代有刷直流電動(dòng)機(jī)的換向器，保留了直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良特性[1]。同時(shí)，由于逆變器帶來(lái)的電機(jī)繞組三相不平衡，產(chǎn)生的共模電壓，在軸承內(nèi)外圈產(chǎn)生軸電壓也不容忽視。當(dāng)軸電壓高于軸承油脂擊穿電壓閾值時(shí)，產(chǎn)生油膜擊穿放電，進(jìn)而產(chǎn)生放電電流，從而帶來(lái)軸承溝道和滾珠損傷，這種損傷稱(chēng)為軸電蝕（高頻電蝕）[2]。這種現(xiàn)象在家用電器和工業(yè)發(fā)電機(jī)等變頻控制電驅(qū)動(dòng)電機(jī)中越來(lái)越普遍。隨著國(guó)內(nèi)變頻化進(jìn)程的進(jìn)一步加快，對(duì)直流電機(jī)產(chǎn)品需求日益增長(zhǎng)。新能效標(biāo)準(zhǔn)頒布實(shí)施后，進(jìn)一步推動(dòng)變頻結(jié)構(gòu)的再次大幅度提升，空調(diào)直流電機(jī)占比也將相應(yīng)得到大幅提升。這對(duì)直流電機(jī)軸電蝕問(wèn)題也提出了更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

本文基于對(duì)BLDC 電機(jī)逆變器驅(qū)動(dòng)電路分析，軸電壓產(chǎn)生機(jī)理，結(jié)合電機(jī)內(nèi)部雜散電容搭建共模等效電路，進(jìn)而解析軸電蝕產(chǎn)生機(jī)理。同時(shí)提出軸電流和放電率可靠性評(píng)價(jià)方法和測(cè)試方法來(lái)完善對(duì)于軸電蝕的可靠性評(píng)價(jià)，完善當(dāng)前行業(yè)內(nèi)單獨(dú)采用軸電壓?jiǎn)我坏脑u(píng)價(jià)指標(biāo)。

1 軸電蝕產(chǎn)生機(jī)理

1.1 逆變器驅(qū)動(dòng)電路模型

變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用變頻電源供電，通過(guò)控制芯片發(fā)出PWM 脈沖，驅(qū)動(dòng)逆變器開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通、斷開(kāi)，使得逆變器輸出一系列等高不等寬的電壓脈沖，等效代替正弦波電壓，從而達(dá)到調(diào)頻調(diào)速目的[3]。等效電路如圖1所示。

圖1 PWM 變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

其中N 為電機(jī)三相星形繞組的交點(diǎn)，Vcom為三相繞組的星形點(diǎn)對(duì)地電壓，即共模電壓。由于PWM 逆變器供電，即脈沖寬度調(diào)制方式時(shí)，逆變器6 個(gè)IGBT 按照一定的規(guī)律開(kāi)通、斷開(kāi)，變頻器輸出一系列等幅不等寬的脈沖。為了防止橋臂貫穿，同一橋臂上下管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。此時(shí)，因此Vcom任意時(shí)刻都不等于零[4]。

1.2 軸電蝕產(chǎn)生機(jī)理

共模電壓在電機(jī)內(nèi)部寄生電容耦合作用，在軸承內(nèi)外溝道之間感應(yīng)出電壓[5]。電機(jī)中存在以下幾類(lèi)耦合電容，Csb為中性點(diǎn)和端蓋之間的電容，Cs為中性點(diǎn)和定子鐵心之間的電容，Cg為定子鐵心和磁瓦之間的電容，Cm為中性點(diǎn)和磁瓦之間電容，Cmg為磁瓦本身電容，Cb為軸承等效電容，Cn為端蓋和逆變器之間的電容，Csn為轉(zhuǎn)軸和逆變器之間的電容。電機(jī)內(nèi)部簡(jiǎn)易共模等效電路圖如圖2所示[6]。

圖2 電機(jī)簡(jiǎn)易共模等效電路圖

在大多數(shù)工況下，寄生電容的存在影響不大。而逆變器的載波頻率為幾kHz 到幾十kHz。逆變器開(kāi)關(guān)管的快速通斷導(dǎo)致共模電壓的快速變化，電壓的快速變化產(chǎn)生了高頻電流，高頻電流流過(guò)各寄生電容，產(chǎn)生軸電流[7]。軸電流一般有三種：金屬接觸流通電流、容性軸電流、油膜擊穿放電電流。一般來(lái)說(shuō)，金屬接觸流通電流和容性軸電流為幾mA，對(duì)引起軸電蝕的可能性較低。當(dāng)軸電壓超過(guò)潤(rùn)滑油膜擊穿電壓閾值時(shí)，油膜擊穿，產(chǎn)生放電現(xiàn)象，放電時(shí)伴隨很強(qiáng)的熱效應(yīng)從而造成電腐蝕損傷軸承滾珠和溝道。

2 軸電蝕評(píng)價(jià)

2.1 軸電壓

當(dāng)前家用空調(diào)行業(yè)內(nèi)整機(jī)廠及電機(jī)廠商普遍使用軸電壓數(shù)值為判定依據(jù)，認(rèn)為軸電壓越高，軸電蝕風(fēng)險(xiǎn)越大。但是實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，單一的軸電壓數(shù)值評(píng)判對(duì)軸電蝕的風(fēng)險(xiǎn)貌似并不全面，例如陶瓷軸承軸電壓遠(yuǎn)高于一般滾珠軸承電機(jī)，但是陶瓷軸承電機(jī)并未出現(xiàn)過(guò)軸電蝕問(wèn)題。

本文基于塑封直流無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行研究，電機(jī)為8 極12 槽，輸出功率為13 W，前后端蓋軸承為608 軸承，軸承油脂基礎(chǔ)油運(yùn)動(dòng)粘度為26 mm2/s，逆變器載波頻率為18 kHz。建立無(wú)刷直流電機(jī)的耦合電容組合如圖3所示。

圖3 電機(jī)內(nèi)部寄生電容組合

根據(jù)電機(jī)內(nèi)部寄生電容組合模型建立電機(jī)驅(qū)動(dòng)和共模等效電路圖如圖4所示。

圖4 電機(jī)簡(jiǎn)易驅(qū)動(dòng)電路和共模等效電路圖

通過(guò)共模等效電路可知，Cb為軸承等效電容，軸承內(nèi)外圈之間電壓即為軸電壓，可以通過(guò)示波器進(jìn)行方便監(jiān)測(cè)。

2.2 軸電流和放電率

根據(jù)軸電流的類(lèi)別可知：金屬接觸流通電流和容性軸電流為幾mA，對(duì)引起軸電蝕的可能性較低。因此，引發(fā)軸承電蝕風(fēng)險(xiǎn)根本原因在于當(dāng)軸電壓超過(guò)潤(rùn)滑油膜擊穿電壓閾值時(shí)，油膜擊穿，產(chǎn)生放電現(xiàn)象，此時(shí)放電電流才是引發(fā)軸電蝕的根本原因。放電時(shí)伴隨很強(qiáng)熱效應(yīng)從而造成電腐蝕損傷軸承滾珠和溝道。

偶然的、短期的大電流雖然會(huì)引發(fā)很強(qiáng)的熱效應(yīng)，但是危害是有限的。只有頻繁的、多次的能量累積產(chǎn)生的較強(qiáng)的熱效應(yīng)才會(huì)導(dǎo)致軸承內(nèi)外圈產(chǎn)生損傷。鑒于此，提出放電率一概念：一定時(shí)間內(nèi)，每次捕捉到的擊穿放電次數(shù)與該段時(shí)間內(nèi)可能發(fā)生的擊穿放電次數(shù)的比值，稱(chēng)之為放電率。

由上兩式可得：

式中：

?T—監(jiān)測(cè)時(shí)間（ms）；

n0—?T 時(shí)間內(nèi)放電次數(shù)；

N0—?T 時(shí)間內(nèi)理論下可能發(fā)生放電次數(shù)；

τ—放電率；

fc—載波頻率（kHz）。

3 測(cè)試方法

3.1 軸電壓測(cè)試方法

通過(guò)驅(qū)動(dòng)器給無(wú)刷直流電機(jī)供電使電機(jī)達(dá)到恒定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，利用示波器（型號(hào)：YOKOGAWA DLM3034）和差分探頭（型號(hào)：YOKOGAWA 701927）對(duì)普通滾珠軸承和陶瓷軸承的不同13 W 樣品進(jìn)行軸電壓測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由表1可知：陶瓷軸承軸電壓接近20 V，而普通的滾珠軸承軸電壓7 V，陶瓷軸承軸電壓遠(yuǎn)高于滾珠軸承電機(jī)。但是實(shí)際使用中，陶瓷軸承電機(jī)未發(fā)生電蝕問(wèn)題，而滾珠軸承電機(jī)軸電蝕現(xiàn)象則時(shí)有發(fā)生。

表1 陶瓷軸承和滾珠軸承樣品軸電壓對(duì)比

3.2 軸電流和放電率測(cè)試方法

由軸電流產(chǎn)生機(jī)理可知，當(dāng)軸電壓超過(guò)潤(rùn)滑油膜擊穿電壓閾值時(shí)，油脂擊穿，電流流過(guò)。為了測(cè)試流經(jīng)軸承內(nèi)部軸電流大小，針對(duì)電機(jī)樣品進(jìn)行特殊處理：在軸承外圈和軸承室之間放入一層厚度適宜的絕緣膠布，隔斷軸承和端蓋，利用一根短導(dǎo)線(xiàn)作為新路徑替代流經(jīng)軸承的電流路徑，見(jiàn)圖5所示。

圖5 軸電流路徑圖

通過(guò)驅(qū)動(dòng)器給無(wú)刷直流電機(jī)供電使電機(jī)達(dá)到恒定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，利用示波器（型號(hào)：YOKOGAWA DLM3034）和差分探頭（型號(hào)：YOKOGAWA 701927）對(duì)普通滾珠軸承和陶瓷軸承的不同13 W 樣品進(jìn)行軸電流和放電率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

由表2可知：陶瓷軸承軸電流遠(yuǎn)低于滾珠軸承，同時(shí)監(jiān)測(cè)放電率為0，普通滾珠軸承樣品的放電率達(dá)到87 %。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，軸電流和放電率越高，放電越明顯，引發(fā)軸電蝕更加明顯。測(cè)試結(jié)果與實(shí)際情況可以準(zhǔn)確契合，所以引入放電率一評(píng)價(jià)指標(biāo)可以有效、正確評(píng)估對(duì)軸電蝕風(fēng)險(xiǎn)。

表2 陶瓷軸承和滾珠軸承軸電流和放電率對(duì)比

4 結(jié)論

本文分析了塑封直流無(wú)刷電機(jī)軸電蝕產(chǎn)生機(jī)理，并建立了共模等效電路圖模型，針對(duì)軸電壓檢測(cè)方法粗糙及評(píng)價(jià)效果不準(zhǔn)確，提出軸電流和放電率的評(píng)價(jià)方法。一定時(shí)間內(nèi)，每次捕捉到的擊穿放電次數(shù)與該段時(shí)間內(nèi)可能發(fā)生的擊穿放電次數(shù)的比值，稱(chēng)之為放電率。同時(shí)通過(guò)對(duì)電機(jī)軸承和端蓋進(jìn)行特殊處理，可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)軸電流和放電率，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：陶瓷軸承雖然軸電壓遠(yuǎn)高于滾珠軸承電機(jī)，但是軸電流遠(yuǎn)低于滾珠軸承電機(jī)，同時(shí)放電率幾乎為零，與事實(shí)相符。由此可知，軸電流和放電率可以直接有效的評(píng)判軸電蝕的風(fēng)險(xiǎn)。