電機(jī)軸承電腐蝕如何預(yù)防？
2024-11-13
由于軸電壓的存在，軸承外圈和內(nèi)圈是存在電勢(shì)差，這就導(dǎo)致軸電流存在。由于軸電流是造成軸承電腐蝕的關(guān)鍵因素，因此如何控制軸電流就是預(yù)防軸承電腐蝕的關(guān)鍵，下面介紹一些預(yù)防軸承電腐蝕的方法，大致歸為“消除電勢(shì)差”，“軸承絕緣”，“減小共模電流”。
01 消除電勢(shì)差
消除電勢(shì)差主要目的是讓軸的電勢(shì)與端蓋的電勢(shì)一樣，這樣軸承內(nèi)外圈的電勢(shì)一樣，理論上也就不存在軸電流(實(shí)際上還是會(huì)有，因?yàn)檩S與端蓋不可能做到0阻抗)，下面列舉幾個(gè)以該方式預(yù)防軸承電腐蝕的案例。
下圖為特斯拉預(yù)防軸承電腐蝕專利，目的就是消除軸與端蓋的電勢(shì)差，目前大多數(shù)方案都是按照這個(gè)變形而來(lái)，主體是由一個(gè)導(dǎo)電滑環(huán)（阻抗較低），導(dǎo)電彈片組成。其中滑環(huán)外圈隨著軸轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)圈不動(dòng)，通過(guò)導(dǎo)電彈片使得軸的電勢(shì)與端蓋相同，減小軸電流（由于導(dǎo)電滑環(huán)還是有阻抗的，因此電勢(shì)不是完全相同）。
圖1 特斯拉方案
由這種方案延伸而來(lái)的有長(zhǎng)安的方案和華為的方案，如下圖為長(zhǎng)安預(yù)防軸承電腐蝕方案，裝置與原理與特斯拉相似，不同是特斯拉安裝在軸內(nèi)，長(zhǎng)安安裝在軸外側(cè)，其中7為導(dǎo)電軸承（外圈不動(dòng)，內(nèi)圈動(dòng)），8為類似特斯拉的導(dǎo)電片。
圖2 長(zhǎng)安方案
華為的方案如下，與特斯拉相似，都是軸內(nèi)部集成導(dǎo)電滑環(huán)，不同點(diǎn)就是將導(dǎo)電片換成有導(dǎo)電柱與導(dǎo)電片的的組合，這種方案較特斯拉相比接觸面積變大了，阻抗相比特斯拉較小，應(yīng)該效果更好（可惜沒(méi)看到實(shí)物）。
圖3 華為方案
當(dāng)然最近看到了一個(gè)有意思的方案，這個(gè)方案用導(dǎo)電油封代替滑環(huán)+導(dǎo)電片的組合。如下圖，4為導(dǎo)電油封，4.2是導(dǎo)電部分，4.2.2是油封與軸接觸的部位，4.2.1是油封與端蓋接觸的部位。這個(gè)方案原理與之前相似，但是因?yàn)檩S與油封相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致阻抗比前幾種高，能減少的軸電流還是有限，且耐久性還有待考驗(yàn)。
圖4 導(dǎo)電油封方案
那有個(gè)問(wèn)題，如果直接把主軸軸承換成導(dǎo)電軸承，不也可以實(shí)現(xiàn)將軸與端蓋"導(dǎo)通"，實(shí)現(xiàn)消除電勢(shì)差。理想是豐滿的，實(shí)際中即使導(dǎo)電軸承是存在較大阻抗的，導(dǎo)電軸承的方案軸電壓是有下降，但是下降幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及上述方案，因此在800V平臺(tái)只上導(dǎo)電軸承恐怕是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。有的設(shè)計(jì)方案考慮只用電刷，如下圖，導(dǎo)電環(huán)放置在端蓋處，電刷與軸接觸末端接觸。
圖5 電刷方案
該方法也是旨在導(dǎo)通軸與端蓋，與上面只有導(dǎo)電軸承對(duì)比，其效果還是很明顯有較大的提升，但是該方案穩(wěn)定性還有待考驗(yàn)，作者測(cè)了做過(guò)幾輪PTCE的樣機(jī)，軸電壓還是有著明顯的上升（20個(gè)cycle后，軸電壓大概從5V左右升到10V）。
圖6 電刷與導(dǎo)電軸承軸電壓對(duì)比
以上方法原理總結(jié)下來(lái)就是：軸與端蓋導(dǎo)通，且導(dǎo)通的阻抗要竟可能低，上述方案效果華為，特斯拉，長(zhǎng)安，電刷的方案都比較不錯(cuò)，其中華為方案是我覺(jué)得最好的，但是成本來(lái)講華為成本就比特斯拉和長(zhǎng)安高出不少，這也應(yīng)該是華為沒(méi)上這個(gè)方案原因之一吧。
02 軸承絕緣
除了消除電勢(shì)差，在電機(jī)中使軸承“絕緣”，可以中斷或減少軸承電流。下圖所示為不同的軸承絕緣，從左到右依次為陶瓷球軸承、端蓋軸承座絕緣。
圖7 軸承絕緣方案
如果考慮用陶瓷球軸承，那么就不存在電腐蝕了，但是這個(gè)成本比普通球軸承要貴上6~10倍左右（批產(chǎn)價(jià)格，樣件更貴），一臺(tái)電機(jī)配2個(gè)，這種成本提升是巨大的。如果考慮軸承座絕緣，要考慮以下幾點(diǎn)：
絕緣軸承座與端蓋本身的安裝配合：一般絕緣軸承座是陶瓷材料，屬于脆性材料，這就導(dǎo)致與端蓋配合上需要考慮好過(guò)盈尺寸，過(guò)小則無(wú)法承受大扭矩，過(guò)大則軸承座在安裝過(guò)程中容易裂開(kāi)。
絕緣軸承座與軸承的導(dǎo)熱問(wèn)題：由于材料不同，軸承與絕緣座的熱膨脹系數(shù)不一樣(一般鋼材比陶瓷熱膨脹系數(shù)高)，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)軸承與軸承座的過(guò)盈量會(huì)發(fā)生變化，如果超過(guò)臨界則會(huì)導(dǎo)致失效。
因此計(jì)算好過(guò)盈量是軸承座絕緣的重要一環(huán)。減小共模電流以上兩種是針對(duì)電機(jī)的改進(jìn)，如果降低軸電壓也可以考慮降低逆變器的共模電壓。這種電壓可以用共模濾波器來(lái)降低，磁環(huán)是一種典型的共模濾波器，如果在逆變器三相輸出端加上共模濾波器，則三相輸出的母排中流動(dòng)的共模電流會(huì)在磁環(huán)中產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)可阻止共模電流的變化。設(shè)計(jì)參數(shù)就是電感和電容值。
圖8 共模濾波器
目前該方案目前成本比較高（目前逆變器直流輸入端會(huì)有濾波器，成本大概100-200左右），并且比較占空間。不過(guò)是個(gè)很不錯(cuò)方案，而且對(duì)比測(cè)試也很好做。
可以看到作者在大篇幅的描述消除電勢(shì)差的方案，因?yàn)樽髡哒J(rèn)為該方案的效果+成本是最優(yōu)的選擇，當(dāng)然方案可能不止這些，但是思路總是一樣的。
內(nèi)容來(lái)源自【RIO電驅(qū)動(dòng)】公眾號(hào)
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