白保東　王　禹　陳志雪　王曉川

(沈陽工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代電工裝備理論與共性技術(shù)重點實驗室

沈陽工業(yè)大學(xué)教育部特種電機(jī)與高壓電器省部共建重點實驗室　沈陽　110870)

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基于電磁屏蔽法變頻電機(jī)軸承電流抑制研究

白保東王禹陳志雪王曉川

(沈陽工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代電工裝備理論與共性技術(shù)重點實驗室

沈陽工業(yè)大學(xué)教育部特種電機(jī)與高壓電器省部共建重點實驗室沈陽110870)

摘要針對兩種軸承電流抑制措施進(jìn)行了效能分析，一種為在電機(jī)內(nèi)安裝電磁屏蔽槽楔，另一種為在電機(jī)軸端安裝軸承電流短路環(huán)。回顧了電磁屏蔽槽楔的工作原理，通過有限元法計算了電磁屏蔽槽楔對高頻電磁場的屏蔽效能；介紹了軸承電流短路環(huán)的工作原理。最后以一臺3 kW、4極變頻電機(jī)為研究對象，搭建了實驗平臺，分別測量了兩種軸承電流抑制措施下電機(jī)軸承電流，通過實驗測量分析了兩種軸承電流抑制方法的效能。

關(guān)鍵詞：軸承電壓軸承電流電磁屏蔽抑制效能

0引言

隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，變頻驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，大大提高了系統(tǒng)的自動化程度，然而PWM變頻器會在電機(jī)端輸出共模電壓，通過容性耦合進(jìn)而產(chǎn)生軸承電流，大幅增加了軸承損壞幾率[1-4]。研究表明，由于軸承損壞而導(dǎo)致的電機(jī)故障占總故障數(shù)量的40%，而有25%的電機(jī)軸承損壞是由于逆變器的軸承電流引起的[5]。從圖1中可觀察到放電軸承電流在電機(jī)軸承表面發(fā)生了電蝕甚至刻槽現(xiàn)象。目前軸承電流現(xiàn)象在風(fēng)力發(fā)電、高速鐵路以及礦用電機(jī)等領(lǐng)域造成了較大的安全隱患及經(jīng)濟(jì)損失。

絕緣軸承是工程中較為常見的軸承電流抑制方法，該方法雖然能夠在一定程度上抑制軸承電流，但其實質(zhì)是將軸承電流轉(zhuǎn)嫁到負(fù)載上，這樣會引起更加難以估計的電磁損傷。國內(nèi)的軸承電流抑制研究則集中在削弱共模電壓上。文獻(xiàn)[6]利用多電平技術(shù)降低共模電壓；文獻(xiàn)[7，8]采用“改進(jìn)型特定諧波消除脈寬調(diào)制技術(shù)”，有選擇性地消除了變頻器輸出的共模電壓，這種通過改變控制策略來減小共模電壓的方法在一定程度上降低了軸承電壓。近幾年，國外不斷提出新的抑制軸承電流的方法。文獻(xiàn)[9]提出了一種有效的電磁耗散法(Static Charge Dissipation)來抑制EDM電流；文獻(xiàn)[10]提出在電機(jī)氣隙間插入法拉第屏，從而使共模電壓通過由金屬箔形成的旁路電容短路以抑制軸承電流，這種方法可大幅度減小軸承電流，但在空間極小的氣隙中安裝金屬箔工藝極為復(fù)雜，很難應(yīng)用到實際生產(chǎn)實踐中。

圖1　軸承表面開槽和電蝕Fig.1　Grooving and electrical erosion of bearing surface

文獻(xiàn)[11]提出了一種電磁屏蔽槽楔用來抑制放電軸承電流，本文將通過有限元法分別分析這種電磁屏蔽槽楔對軸承電流的抑制效能，給出軸承電流短路環(huán)抑制軸承電流的方法，并通過實驗分別對兩種軸承電流抑制措施進(jìn)行了分析。

1軸承電流的產(chǎn)生機(jī)理

在現(xiàn)代的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，IGBT位于核心位置，并被廣泛應(yīng)用不可替代。而共模電壓就是由載波控制IGBT開關(guān)所產(chǎn)生的三相電壓之和，因此，無論是SPWM還是SVPWM控制方式，其共模電壓必然存在[7，8]，其表達(dá)式為

(1)

這種高頻共模電壓會激發(fā)電機(jī)內(nèi)部的寄生電容，與電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子及軸承形成回路，而流經(jīng)軸承的電流就是軸承電流。如圖2所示，根據(jù)軸承電流的產(chǎn)生機(jī)理，軸承電流可分為dv/dt軸承電流、環(huán)路軸承電流及EDM放電軸承電流三類。

高頻共模電壓首先會流經(jīng)繞組-轉(zhuǎn)子-軸承-大地形成回路，一旦不斷積累的電壓達(dá)到這一閾值，軸承潤滑脂膜就會被擊穿，瞬間產(chǎn)生很大的放電電流，即放電軸承電流；當(dāng)共模電壓通過電機(jī)內(nèi)雜散電容泄漏耦合到定子疊片，就會在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生高頻共模電流和高頻磁通，進(jìn)而在轉(zhuǎn)軸上感應(yīng)出高頻端到端軸電壓。以這種高頻軸電壓為電壓源，經(jīng)轉(zhuǎn)軸、軸承和定子機(jī)座形成環(huán)路閉環(huán)，產(chǎn)生了環(huán)路軸承電流；高頻共模電壓脈沖dv/dt的一部分通過電機(jī)定子繞組、繞組對轉(zhuǎn)子的寄生電容、軸承電容以及機(jī)殼形成回路，從而在軸承上形成這種dv/dt軸承電流。dv/dt軸承電流很小，基本可忽略不計。在功率等級較小的電機(jī)中，環(huán)路軸承電流一般幅值較小，可以忽略，而EDM軸承電流較大，該軸承電流擊穿油膜的可能性很大，所以軸承電流密度大[5，9]，因此本文主要研究放電軸承電流的抑制方法。

圖2　軸承電流分類Fig.2　Classification of the bearing current

2電磁屏蔽槽楔

2.1電磁屏蔽槽楔工作原理

文獻(xiàn)[11]給出了電磁屏蔽槽楔的工作原理，電機(jī)中寄生電容耦合所導(dǎo)致的軸承電流現(xiàn)象可通過共模等效電路描述。該共模等效電路模型將共模電壓作為激勵源，通過電路形式理論上較為完整地描述了軸電壓、軸承電流的路徑以及與雜散電容間的相互關(guān)系。圖3a為電機(jī)理想共模等效電路模型，圖中Cwf為繞組與定子機(jī)殼間電容；Cwr為繞組和轉(zhuǎn)子間電容；Crf為轉(zhuǎn)子和機(jī)殼間電容；Rb為軸承和油膜等效阻抗；Cb為等效軸承油膜電容；Uwf為繞組中性點對機(jī)殼的電壓，一般認(rèn)為是共模電壓；Urf為轉(zhuǎn)子對機(jī)殼的電壓，一般認(rèn)為是軸承電壓；ib1、ib2分別為驅(qū)動端和非驅(qū)動端軸承電流；Rb1、Rb2、Cb1、Cb2分別為驅(qū)動端和非驅(qū)動端軸承電阻、電容，當(dāng)軸承油膜兩端電壓超過閾值電壓時，軸承油膜擊穿，在等效回路中等效為壓控開關(guān)S1、S2，將轉(zhuǎn)軸與軸承室絕緣，并用導(dǎo)線連接軸承外圈與機(jī)殼，即可模擬軸承實際工作狀態(tài)，又可進(jìn)行軸承電流測量。

圖3　共模等效電路模型Fig.3　Common mode equivalent circuit

從集總參數(shù)共模等效電路模型中可詳細(xì)看出電機(jī)內(nèi)共模電壓產(chǎn)生軸電壓和軸承電流主要通過容性耦合。變頻驅(qū)動系統(tǒng)在電機(jī)中產(chǎn)生的軸電壓和軸承電流主要取決于各寄生電容。根據(jù)集總參數(shù)模型，如圖3a所示，軸承電壓可表示為

(2)

但當(dāng)在電機(jī)定子采用具有電磁屏蔽的銅槽楔時，共模等效電路模型如圖3b所示，插入銅槽楔并接地后，顯然會改變Cwr，等于重新構(gòu)造了新的電容Cwa和Car，屏蔽槽楔對地的電壓為Ua，這時，方程(2)可變?yōu)?/p>

(3)

(4)

所以

(5)

(6)

2.2電磁屏蔽槽楔結(jié)構(gòu)設(shè)計

從另一個角度看，電場屏蔽相當(dāng)于在電場中插入高導(dǎo)電率材料，并良好接地以隔斷兩個電路之間的分布電容耦合，達(dá)到屏蔽作用。因此在電機(jī)槽內(nèi)插入銅槽楔作為電磁屏蔽層并良好接地，可隔斷繞組對轉(zhuǎn)子的寄生電容。

定義：如圖4所示，當(dāng)共模電壓達(dá)到0.1v時記為t0.1v，共模電壓達(dá)到0.9v時記為t0.9v，共模電壓局部周期為tr，共模電壓局部頻率為fC。

fC=1/tr

(7)

根據(jù)圖4，tr計算方法為

tr=t0.9v-t0.1v

(8)

此外，考慮到工程上定義的透入深度d，即

(9)

式中，ω為電磁波角頻率；μ為屏蔽層磁導(dǎo)率；γ為屏蔽層電導(dǎo)率。

根據(jù)式(7)～式(9)可得共模電壓局部頻率為0.2 MHz，對于銅質(zhì)屏蔽槽楔，透入深度為0.147 mm，而共模電壓的整體頻率為2 kHz，透入深度為1.5 mm，因此屏蔽槽楔厚度設(shè)計為1.5 mm，安裝位置如圖5所示，可有效屏蔽掉2 kHz～0.2 MHz的電磁波，同時不影響電機(jī)主磁場，所以，電磁屏蔽槽楔可在不影響電機(jī)正常工作的情況下有效屏蔽高頻電磁場。

圖5　屏蔽槽楔安裝位置示意圖及樣機(jī)Fig.5　Installation position of shielded slot wedge

2.3高頻電磁場仿真與分析

為進(jìn)一步驗證電磁屏蔽槽楔的屏蔽效果，本文采用有限元法對電機(jī)槽的電場和磁場進(jìn)行了仿真。如圖6所示，其中圖6a和圖6b左圖為未安裝屏蔽槽楔的仿真結(jié)果，右圖為插入電磁屏蔽槽楔后的仿真結(jié)果。通過槽電位移矢量場對比可看到，由于電磁屏蔽槽楔的作用，從二者槽磁場對比來看，磁場在屏蔽層中有一定的衰減變化，從8.7×103降低到1.044×103數(shù)量級；從二者槽高頻電流密度對比，屏蔽后高頻電流不再與轉(zhuǎn)子耦合，轉(zhuǎn)子表面電流密度明顯下降，電流密度主要集中在屏蔽槽楔中，由于屏蔽槽楔接地，高頻電流便不會在原來的軸承電流回路中流通。但值得注意的是，由于高頻電流趨膚效應(yīng)的影響，屏蔽層中的位移電流分布不均，導(dǎo)致電磁場分布比較散亂。

圖6　電機(jī)槽在200 kHz時磁場強(qiáng)度和電流密度Fig.6　Distribution of the magnetic field intensity and current density in the motor slot at 200 kHz

2.4實驗測量

本文以一臺安裝了屏蔽槽楔的3 kW/4極變頻感應(yīng)電機(jī)為實驗對象搭建實驗平臺，圖7為實驗現(xiàn)場圖。為了驗證提出的電磁屏蔽等效電路模型和軸承電流的抑制效果，實驗重點測量和關(guān)注了軸承電壓和軸承電流，并加以分析。軸承電壓和軸承電流的測量方法參考文獻(xiàn)[12-14]。

圖7　實驗現(xiàn)場Fig.7　Actual experiment platform

應(yīng)用阻抗分析儀對共模等效電路中的電容進(jìn)行測量，測量方法參考文獻(xiàn)[13-16]，表1給出了安裝屏蔽槽楔后被測電機(jī)寄生電容參數(shù)，并通過式(2)～式(6)計算得到屏蔽前后電機(jī)軸電壓。利用圖7所示實驗平臺對被試電機(jī)的軸承電壓、軸承電流及共模電壓等參數(shù)進(jìn)行測量。表2給出了屏蔽前后的軸承電壓值，軸承電壓計算值與測量值均說明電機(jī)安裝屏蔽槽楔后電機(jī)軸承電壓有了較大幅度下降。

表1　安裝屏蔽槽楔后電機(jī)寄生電容參數(shù)

表2　軸承電壓對比分析

圖8a和圖8b分別為電磁屏蔽前后電機(jī)軸承電壓和軸承電流共模電壓波形，通過對比，屏蔽前軸承電壓幅值為11.4 V，屏蔽后軸承電壓幅值降低為2.2 V，電磁屏蔽槽楔有效降低了軸承電壓幅值。屏蔽前軸承電流最大值為220 mA，屏蔽后軸承電流最大值下降為23 mA，軸承電流下降了89.5%。圖8a中的電流脈沖則為EDM軸承電流，電磁屏蔽后，軸承電流很小，從圖8b中可觀察到密集的脈沖電流，這些電流可理解為dv/dt軸承電流。

圖8　實驗結(jié)果Fig.8　Experiment results

由于實驗測得的軸承電流具有隨機(jī)性及高頻性，因此，實驗采取隨機(jī)觀測的方法。首先將示波器觀測時間調(diào)為10 ms，確保測量域足夠廣；然后隨機(jī)觀測記錄了80個最大的軸承電流峰峰值；需要注意的是，觀測一定要均勻，確保實驗結(jié)果的正確分布。通過圖9a和圖9b的對比，可看到屏蔽前的軸承電流基本上分布在215 mA左右，屏蔽后則為10 mA，因此屏蔽后的軸承電流基本上就不會對軸承造成損傷。

圖9　實測軸承電流峰峰值的統(tǒng)計圖Fig.9　Random observation results of bearing currents

3軸承電流短路環(huán)

減小軸承電流的關(guān)鍵是降低軸承電壓，因此提出在軸承端安裝短接裝置以減小軸承電壓及防止軸承潤滑脂膜被擊穿。如圖10所示，根據(jù)文獻(xiàn)[13]提出的分布參數(shù)共模等效電路，增加短路裝置后電機(jī)內(nèi)共模等效電路發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子與導(dǎo)電纖維電刷連接、定子與定子導(dǎo)電環(huán)連接。當(dāng)短路裝置接入電路后，電機(jī)內(nèi)Crf不能積累足夠電荷形成較高軸承電壓，在保證導(dǎo)電纖維電刷與定子導(dǎo)電環(huán)阻抗足夠小的情況下，軸承兩端電壓會大幅度降低，不足以擊穿軸承潤滑脂膜，進(jìn)而可大幅度減小軸承電流。

圖10　短路裝置接入后共模等效電路Fig.10　Common mode equivalent circuit with short circuit ring

圖11為軸承電流短路環(huán)，將其安裝于電機(jī)端蓋上，使其與定子充分接觸，通過調(diào)節(jié)電刷螺絲使其與轉(zhuǎn)軸導(dǎo)電環(huán)充分接觸，這樣就將軸承滾珠進(jìn)行了短路，高頻軸承電流將不會再通過軸承內(nèi)外圈及軸承滾珠流通，而是通過導(dǎo)電纖維電刷、轉(zhuǎn)軸導(dǎo)電環(huán)及定子導(dǎo)電環(huán)進(jìn)行流通?？筛鶕?jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)選擇不同的軸承電流導(dǎo)電環(huán)安裝位置。圖12為安裝有軸承電流短路環(huán)的實驗電機(jī)。

圖13為電機(jī)安裝短路環(huán)之前與短路環(huán)之后的軸承電流測量曲線。實驗結(jié)果表明軸承電流幅值由0.215 A下降到0.003 3 A，軸承電流幅值下降了98.4%，而軸承電壓由于短路效應(yīng)，波形發(fā)生較大改變，不再存在充電過程，電壓幅值也有較大程度的降低，不再能擊穿軸承潤滑脂膜。

圖11　軸承電流短路環(huán)安裝示意圖Fig.11　Installing structure of short circuiting ring

圖12　安裝軸承電流短路環(huán)的電機(jī)Fig.12　Test motor with the short circuit ring

圖13　轉(zhuǎn)速為1 470 r/min時的測量結(jié)果Fig.13　Measurement result at 1 470 r/min

4結(jié)論

針對本文所使用實驗電機(jī)，基于電磁屏蔽原理的屏蔽槽楔電機(jī)的軸承電流抑制效能達(dá)90%左右，軸承電壓的抑制效能達(dá)80.7%，特別對中型或大型電機(jī)，經(jīng)過優(yōu)化后，效果會較大幅度提高；這種方法不改變電機(jī)的電磁計算程序，與其他方法相比，還具有安裝方便、結(jié)實耐用、能夠適應(yīng)復(fù)雜惡劣的工況的優(yōu)勢。電磁屏蔽槽楔會帶來額外的渦流損耗，由于電磁屏蔽槽楔接地，該損耗對電機(jī)的影響遠(yuǎn)小于軸承電流對電機(jī)性能及穩(wěn)定性的影響。采用特殊處理過多層的銅疊片槽楔，可大大減小電磁屏蔽槽楔的損耗。

軸承電流短路環(huán)安裝簡便，可有效抑制放電軸承電流及環(huán)路軸承電流，但該種軸承電流抑制方法會受到電機(jī)內(nèi)部空間以及外部工作環(huán)境等因素的制約，而且需要定期維護(hù)。兩種軸承電流抑制措施均具有較高的抑制效能，可根據(jù)實際情況進(jìn)行選取。

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白保東男，1955年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為特種電機(jī)及其控制和大型電力變壓器直流偏磁。

E-mail：baibd@sut.edu.cn

王禹男，1987年生，博士研究生，研究方向為永磁電機(jī)控制和電機(jī)運行中的電磁兼容。

E-mail：electricalwangyu@163.com(通信作者)

Inhibition of Bearing Currents in Frequency Variable Motor Based on Electromagnetic Shielding

BaiBaodongWangYuChenZhixueWangXiaochuan

(Theory and Common Technologies of Modern Electrical Equipments Key Lab Special Electric Machines and High Voltage Apparatus Key Lab National Education Ministry and Liaoning Province Shenyang University of TechnologyShenyang110870China)

AbstractTwo methods to suppress the bearing current, i.e. the electromagnetic shield slot wedge within the machine and the bearing current short circuit ring, are analyzed. The theory of the electromagnetic shield slot wedge is reviewed. And the element finite model is established to evaluate the shield effectiveness for high frequency electromagnetic field. The theory of the bearing current short circuit ring is introduced. Finally, the experimental platform is set up to evaluate the shield effectiveness. The test motor is a 3 kW/4-pole variable frequency motor. The bearing currents of the motor with the electromagnetic shield slot wedge and the bearing current short circuit ring are measured respectively. According to the experiment results, the suppression effectiveness is evaluated.

Keywords：Bearing voltage, bearing currents, electromagnetic shielding, suppression effectiveness

作者簡介

中圖分類號：TM34

收稿日期2015-09-13改稿日期2015-12-03

國家自然科學(xué)基金資助項目(51577122)。