李磊　吳叢　李文濤　劉洋銘　劉超

摘 要：在使用過(guò)程中，家用空調(diào)直流電機(jī)會(huì)出現(xiàn)軸響問(wèn)題。本文從軸響故障電機(jī)失效模式、失效機(jī)理、生產(chǎn)過(guò)程管控及檢測(cè)方式可靠性等方面進(jìn)行分析。同時(shí)，通過(guò)直流變頻電機(jī)工作原理分析和不同條件下故障模擬復(fù)現(xiàn)，找出電機(jī)軸承存在的缺陷，并從電機(jī)本身可靠性著手，結(jié)合檢測(cè)方式的創(chuàng)新與完善，提升直流電機(jī)的運(yùn)行可靠性。

關(guān)鍵詞：直流電機(jī);軸承電腐蝕;端部感應(yīng)電壓;軸電流

中圖分類(lèi)號(hào)：TM33;TM925.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）32-0058-03

Research?and?Application?of?Electric?Corrosion?of?DC?Motor

Bearings?for?Air?Conditioning

LI?Lei WU?Cong LI?Wentao LIU?Yangming LIU?Chao

（Gree?Electric?Appliances，?Inc.of?Zhengzhou，Zhengzhou?Henan?450001）

Abstract：?In?the?process?of?use，?the?problem?of?shaft?noise?will?occur?in the?DC?motor?of?the?household?air?conditioner.?This?paper?analyzed?the?failure?mode，?failure?mechanism，?production?process?control?and?detection?method?reliability?of?the?shaft?response?fault?motor.?At?the?same?time，?through?the?analysis?of?the?working?principle?of?the?DC?variable?frequency?motor?and?the?fault?simulation?reproduction?under?different?conditions，?the?defects?existing?in?the?motor?bearings?were?found，?and?started?from?the?reliability?of?the?motor?itself，?combined?with?the?innovation?and?improvement?of?the?detection?method，?the?operation?reliability?of?the?DC?motor?was?improved.

Keywords：?continuous?current?dynamo;electrocorrosion?of?bearing;end?induced?voltage;shaft?current

直流電機(jī)目前被普遍應(yīng)用在家用空調(diào)領(lǐng)域，基于其變頻的優(yōu)點(diǎn)，被更多地應(yīng)用在高端家用空調(diào)機(jī)型上。隨著生活水平和品質(zhì)要求的提高，用戶(hù)對(duì)空調(diào)噪聲也有一定的要求。根據(jù)市場(chǎng)用戶(hù)反饋，使用過(guò)程中出現(xiàn)了不同程度的噪聲問(wèn)題。

1 事件背景

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2018年至今，售后市場(chǎng)陸續(xù)反饋，某廠家電機(jī)在終端市場(chǎng)使用過(guò)程中存在噪聲問(wèn)題，主要集中在后軸承室內(nèi)部。因此，筆者對(duì)多次反饋的同廠家編碼電機(jī)同區(qū)域噪聲異常進(jìn)行調(diào)查分析和驗(yàn)證。

2 問(wèn)題分析

2.1 故障舊件復(fù)核確認(rèn)

對(duì)售后返回舊件進(jìn)行重新裝機(jī)驗(yàn)證（5臺(tái)），試機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)，電機(jī)后端蓋有明顯軸承噪聲，裝機(jī)驗(yàn)證5臺(tái)，軸承噪聲及位置基本一致。利用低電阻測(cè)試儀對(duì)退回電機(jī)外部接線片接觸電阻進(jìn)行測(cè)試，接地電阻均較大（125mΩ、150?mΩ、無(wú)窮大等），測(cè)試時(shí)時(shí)常出現(xiàn)不穩(wěn)定、阻值跳動(dòng)及無(wú)窮大等現(xiàn)象。

對(duì)接地電阻無(wú)窮大電機(jī)進(jìn)行手工用力測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用力程度不同，接線片與后端蓋存在時(shí)通時(shí)不通現(xiàn)象。接線片與后端蓋接觸不良，后端蓋未完全壓死接線片，才會(huì)發(fā)生時(shí)通時(shí)不通現(xiàn)象。使用螺絲刀下壓接線片與后端蓋接觸位置，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，接線片受外力影響會(huì)與端蓋形成間隙。繼續(xù)對(duì)電機(jī)拆解，測(cè)量注塑定子與接線片配合位的避空槽，標(biāo)準(zhǔn)值為0.5～0.55mm。實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，電機(jī)注塑定子與接線片配合位的避空槽為0.61mm。

同時(shí)，對(duì)上述電機(jī)進(jìn)行拆解，利用三坐標(biāo)對(duì)電機(jī)注塑定子止口、定子內(nèi)徑同心度及軸承室圓度進(jìn)行測(cè)量（圓度0.01mm、0.05mm，同心度0.1mm、0.14mm），基本一致，未有明顯異常。解剖發(fā)現(xiàn)，軸承室內(nèi)部軸承內(nèi)圈表面出現(xiàn)類(lèi)似劃痕，即軸承有受到外力擠壓、摩擦等跡象。

2.2 異常軸承外觀確認(rèn)分析

對(duì)返回舊件進(jìn)行確認(rèn)，軸承內(nèi)圈出現(xiàn)磨損，均勻出現(xiàn)在內(nèi)圈外徑，且手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)有明顯摩擦異響。根據(jù)售后回訪，了解使用時(shí)間及反饋周期，該電機(jī)軸承并非生產(chǎn)初期及剛使用就發(fā)生此異常，用戶(hù)均反饋在使用一個(gè)月左右后電機(jī)出現(xiàn)噪聲異常。

根據(jù)上述方法對(duì)故障電機(jī)軸承磨損形狀、受力方向及顏色進(jìn)行判斷，可初步排除以下相關(guān)引發(fā)噪聲故障的隱患。一是軸承來(lái)料本身質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致內(nèi)圈受損。二是軸承內(nèi)圈磨損可能為廠內(nèi)安裝過(guò)程中受非均勻外力擠壓導(dǎo)致，軸承來(lái)料內(nèi)部缺陷在入廠時(shí)和生產(chǎn)初期可以被發(fā)現(xiàn)并剔除，不會(huì)流入售后。三是軸承安裝后在成品運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生微動(dòng)磨損。該軸承噪聲為后期安裝運(yùn)行后產(chǎn)生，并非初期運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生。假設(shè)故障噪聲為成品過(guò)程運(yùn)輸造成，軸承內(nèi)圈外徑劃痕應(yīng)為軸向延伸，實(shí)際故障并非如此。四是軸承室內(nèi)部缺油導(dǎo)致發(fā)熱磨損。故障軸承內(nèi)圈外徑為點(diǎn)狀不連續(xù)性直線劃痕，非軸承室內(nèi)缺油導(dǎo)致整體發(fā)黑變色磨損。五是軸承可能受電腐蝕影響，保持架內(nèi)滾珠在流通電流作用下析出金屬離子，導(dǎo)致滑道磨損[1]。

2.3 軸承電腐蝕機(jī)理初步分析

經(jīng)過(guò)上述初步理論分析、假設(shè)驗(yàn)證及與售后舊件復(fù)核失效對(duì)比，排除軸承本身缺陷、安裝外力劃傷、運(yùn)輸過(guò)程微動(dòng)磨損及軸承缺油等原因。目前已初步鎖定為軸承受電腐蝕影響，保持架內(nèi)滾珠在流通電流作用下析出金屬離子，導(dǎo)致滑道磨損。

根據(jù)目前無(wú)刷直流電機(jī)工作原理，利用PWM技術(shù)對(duì)脈沖信號(hào)寬度進(jìn)行調(diào)制。直流無(wú)刷電機(jī)有PWM信號(hào)參與控制系統(tǒng)，改變磁場(chǎng)磁通量大小，不改變方向。根據(jù)楞次定律可知，注塑定子繞組內(nèi)通過(guò)高頻的電流，在其周?chē)ǘㄗ永@組與注塑件、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸兩端與軸承外圈、前后鐵殼端蓋等）均會(huì)產(chǎn)生高頻感生電動(dòng)勢(shì)[2，3]。上述周?chē)考g，尤其是鐵殼部件之間（軸承內(nèi)圈與外圈、端蓋鐵殼等）產(chǎn)生的高頻電動(dòng)勢(shì)，如果不及時(shí)消除，將會(huì)在此期間產(chǎn)生流通電流，導(dǎo)致軸承內(nèi)圈外徑金屬離子析出，導(dǎo)致磨損。

正常情況下，軸承內(nèi)、外圈之間由保持架內(nèi)滾珠進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)支撐，很容易產(chǎn)生流通電流，導(dǎo)致類(lèi)似尖端放電。在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，軸伸端部位存在均勻負(fù)載，非軸伸端徑向受力不均勻，導(dǎo)致滾珠與軸承內(nèi)圈擊穿油膜產(chǎn)生流通電流，進(jìn)而導(dǎo)致電腐蝕。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

考慮到以上涉及因素，影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生、消除的因素主要為：外部前后端蓋連接接觸電阻大小、高低轉(zhuǎn)速、溫度和負(fù)載大小等。

3.1 前后端蓋接觸電阻大?。ń佑|電阻4.20mΩ、接觸電阻無(wú)窮大）

接觸電阻無(wú)窮大電機(jī)使用負(fù)載工裝進(jìn)行模擬驗(yàn)證，24h后出現(xiàn)類(lèi)似售后反饋的軸承摩擦聲，且利用示波器對(duì)端蓋前后電壓進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)端蓋電壓進(jìn)行周期性放電（即通過(guò)內(nèi)部進(jìn)行放電）。接觸電阻4.20mΩ電機(jī)目前已運(yùn)行168h，未出現(xiàn)軸承聲，且使用示波器監(jiān)控前后軸承電壓幅值很小且平穩(wěn)（通過(guò)外部連接時(shí)刻放電，消除內(nèi)外電勢(shì)差）。

3.2 同樣接觸電阻無(wú)窮大電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速對(duì)比

調(diào)制600r/min電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，運(yùn)行48h后出現(xiàn)類(lèi)似后軸承噪聲，且前后端蓋放電周期明顯。調(diào)制1?000r/min電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，運(yùn)行36h后出現(xiàn)類(lèi)似軸承噪聲，前后端蓋電壓放電同樣明顯，且根據(jù)放電頻率觀察，此放電頻次比低轉(zhuǎn)速放電頻次更快。

3.3 電機(jī)在不同溫度環(huán)境下對(duì)接地電阻的影響

此方案目前試驗(yàn)較困難，試根據(jù)其失效機(jī)理，比較靜態(tài)單體電機(jī)在不同溫度下外部接地電阻的大小，進(jìn)而側(cè)面判定溫度對(duì)軸承電腐蝕的影響。

對(duì)其單體3臺(tái)試驗(yàn)電機(jī)進(jìn)行測(cè)試，常溫下，接地電阻分別為3.5mΩ、3.8mΩ及3.8mΩ，分別在45℃、55℃及75℃溫度環(huán)境下放置2h，后對(duì)其測(cè)試，接地電阻分別為3.55、3.9及3.85mΩ。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同溫度前后的端蓋間接地電阻受溫度變化較小，基本無(wú)變化。

3.4 負(fù)載大小對(duì)軸承電腐蝕的影響

對(duì)無(wú)窮大接地電阻電機(jī)進(jìn)行空載測(cè)試，并安裝模擬負(fù)載進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試，調(diào)試期間，其轉(zhuǎn)速均為800r/min，使其運(yùn)轉(zhuǎn)4h后同時(shí)觀察電機(jī)運(yùn)行及噪聲狀態(tài)，拆下電機(jī)端蓋，觀察其內(nèi)部前后軸承表面狀態(tài)。

運(yùn)行4h后，兩電機(jī)均出現(xiàn)噪聲異常，拆下電機(jī)前后端蓋觀察內(nèi)部軸承，發(fā)現(xiàn)帶有負(fù)載電機(jī)靠近非軸伸端內(nèi)軸承損傷明顯。對(duì)空載電機(jī)進(jìn)行拆機(jī)，發(fā)現(xiàn)前后軸承表面均有損傷，但損傷基本一致，較有負(fù)載電機(jī)非軸伸端軸承損傷輕。

3.5 小結(jié)

對(duì)可能影響軸承電腐蝕的因素逐一進(jìn)行驗(yàn)證，在進(jìn)行接地電阻大小及負(fù)載驗(yàn)證時(shí)，分別取其極端條件（接地電阻很小、無(wú)窮大及空載、模擬負(fù)載）進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，外部接地電阻、轉(zhuǎn)速及負(fù)載等因素能夠?qū)S承電腐蝕起到一定的影響。

4 軸承電腐蝕總結(jié)

4.1 軸承失效的本質(zhì)

在應(yīng)用PWM技術(shù)基礎(chǔ)上，高頻直流變頻電引起轉(zhuǎn)子及其周?chē)模ㄓ绕涫寝D(zhuǎn)軸與軸承外圈）寄生電容累積一定電荷，擊穿軸承內(nèi)外圈油膜，形成流通電流，導(dǎo)致潤(rùn)滑界面產(chǎn)生電磁損傷。

4.2 軸承電流產(chǎn)生機(jī)理

當(dāng)電機(jī)由電壓型變頻器供電運(yùn)行時(shí)，會(huì)形成一個(gè)特定的軸承電源（外圈與內(nèi)圈產(chǎn)生寄生電容），即電機(jī)軸承外圈產(chǎn)生高電位，其間若形成回路，將會(huì)有電流經(jīng)過(guò)軸承內(nèi)圈表面，產(chǎn)生電腐蝕。

4.3 端部感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的形成：PWM變頻器輸出電壓變化率

由于PWM技術(shù)固有的脈沖特性，PWM變頻器設(shè)備輸出的電壓快速隨時(shí)間變化（在短時(shí)間內(nèi)迅速上升或下降），存在較高的電壓變化率（如常用的絕緣柵雙極晶體管IGBT，其電壓變化率極高）。當(dāng)其作用在轉(zhuǎn)子附近的寄生電容（軸承內(nèi)外圈間）時(shí)，會(huì)使此寄生電容電荷量急劇升高，達(dá)到一定數(shù)量后將會(huì)產(chǎn)生流通電流經(jīng)過(guò)軸承表面。具體流路如圖1所示。

根據(jù)圖1分析與電子走向，電機(jī)內(nèi)部存在高頻寄生電容的耦合作用，電機(jī)轉(zhuǎn)軸上會(huì)產(chǎn)生一定的感應(yīng)電壓，當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)軸承內(nèi)、外圈及滾子接觸面會(huì)在油膜中高速旋轉(zhuǎn)。由于軸承外圈及滾子與端蓋相連，內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸接觸，在軸承內(nèi)外圈將形成一定的電勢(shì)差，即軸電壓，此軸電壓在“5”處積累到一定程度后將會(huì)有兩條通道進(jìn)行釋放。

擊穿油膜絕緣閾值，將產(chǎn)生電容性放電電流，通過(guò)2-4-6流通進(jìn)行放電，在軸承內(nèi)外圈形成流通電流，此放電電流的重復(fù)頻率將會(huì)隨著軸承電壓大小及脈沖頻率增加而增加。電機(jī)外側(cè)前后蓋進(jìn)行連接，使外部電勢(shì)及時(shí)降低。電子遷移過(guò)程將會(huì)產(chǎn)生微弱電流，即2-3-1進(jìn)行流通。此時(shí)要求外部的接觸電阻小于“5”處油膜絕緣閾值，若外部電路阻力較大，依然將會(huì)由電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行放電，即售后表現(xiàn)出的電機(jī)軸承電腐蝕問(wèn)題。

4.4 小結(jié)

經(jīng)過(guò)分析，此次故障電機(jī)軸承電腐蝕機(jī)理已基本明確，主要是由于電機(jī)產(chǎn)生的電勢(shì)差無(wú)處釋放，外部接地片電阻較大（接觸不良開(kāi)路、超過(guò)軸承間隙油脂絕緣閾值），經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間累積，擊穿油脂的絕緣閾值通過(guò)內(nèi)電路進(jìn)行放電，在軸承內(nèi)外圈產(chǎn)生流程電流，軸承內(nèi)圈外徑與滾珠接觸位置產(chǎn)生金屬熔融和細(xì)小的熔融泡，這些表面缺陷的形成能夠加速軸承磨損。由于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中負(fù)載的存在，非軸承端受力不平衡，軸承端較易擊穿，因此售后多反饋為電機(jī)非軸伸端軸承電腐蝕噪聲。

根據(jù)上述分析，外部接地接線片接地電阻小于油膜的絕緣閾值，即可滿足要求。對(duì)于油膜目前的絕緣閾值測(cè)試及需要小于什么程度的接地電阻，筆者未進(jìn)行具體的量化對(duì)比測(cè)試，根據(jù)上述電機(jī)的失效機(jī)理，外部接地電阻越小越好，因此要盡可能使外部接線片接地電阻為零。

此次故障電機(jī)廠家針對(duì)此售后噪聲異常，進(jìn)行內(nèi)部排查，根據(jù)測(cè)量結(jié)果追溯模具使用記錄，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于此型號(hào)電機(jī)訂單量的增加，2019年3月增開(kāi)2套模具。通過(guò)接地導(dǎo)通不良的模具追溯，新開(kāi)1套模具的1個(gè)模腔接線片避空槽深度過(guò)大，導(dǎo)致注塑后模具與接線片配合出現(xiàn)間隙，造成接地不良（時(shí)通時(shí)斷，接地電阻偏大），流通電流從電機(jī)內(nèi)部經(jīng)過(guò)，進(jìn)而產(chǎn)生軸承電腐蝕。

5 預(yù)防方向

電機(jī)生產(chǎn)期間，要重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)注塑模具每個(gè)模腔注塑定子與接線片配合位的避空槽進(jìn)行管控，關(guān)注配合有效性。電機(jī)生產(chǎn)過(guò)程增加接地導(dǎo)通測(cè)試工序，使用低電阻測(cè)試儀全檢接地電阻，保證電機(jī)前后端蓋導(dǎo)通良好。

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