近年來，電動車的銷量節(jié)節(jié)高，伴隨而來的是電動車的質(zhì)量問題，為了減少客戶抱怨，很多問題必須在設(shè)計階段就進(jìn)行規(guī)避。電機軸承電腐蝕問題是最近各家主機廠重點關(guān)注的問題。

由于軸承電流和相關(guān)的電腐蝕會導(dǎo)致部件磨損并損壞電機軸承，電動車輛的使用壽命將受到嚴(yán)重限制。因此，為了有效防止軸承失效，這些破壞性的電流必須被引流接地。本文主要講述軸電流和軸電壓的相關(guān)問題，重點是在設(shè)計前期如何規(guī)避軸電流帶來的電腐蝕問題。

一、什么是軸電流？

在了解軸電流之前我們先了解一下軸電壓，正是因為在軸承內(nèi)外圈之間有了軸電壓，形成電勢差才產(chǎn)生了軸電流。

軸電壓：軸電壓是指電機運行時，電機兩軸承端或電機軸與軸承間所產(chǎn)生的電壓。其本質(zhì)是由于定子磁場的不平衡或電機軸本身帶磁，當(dāng)出現(xiàn)交變磁通時，在軸上感應(yīng)出的電壓。

軸電流：指由電機軸、軸承內(nèi)圈、油膜、軸承外圈、殼體構(gòu)成回路，如下圖2所示，當(dāng)油膜絕緣被破壞時，就在回路內(nèi)產(chǎn)生電流。

圖2— 軸電壓示意圖

軸電壓和軸電流可以簡單理解為電火花加工，軸承內(nèi)外滾道由于較大的放電電流，瞬間短路。

二、軸電流的產(chǎn)生機理

軸電流的產(chǎn)生機理主要是在軸承內(nèi)外圈之間由于不同情況產(chǎn)生的軸電壓，形成電勢差，最終形成了軸電流，下邊介紹一下軸電壓具體如何產(chǎn)生的。

2.1磁不平衡引起的軸電壓

軸電壓是存在于電機轉(zhuǎn)軸兩端的交流電壓。

由于定子鐵芯采用扇形沖片，轉(zhuǎn)子偏心率以及扇形片的導(dǎo)磁率不同, 再加上鐵芯槽、通風(fēng)孔等的存在，以及冷卻和夾緊用的軸向?qū)Р鄣劝l(fā)電機制造和運行原因引起的磁不對稱,結(jié)果產(chǎn)生包括軸、軸承和基礎(chǔ)臺板在內(nèi)的交變磁鏈回路。

由此在電機轉(zhuǎn)軸與殼體間產(chǎn)生電壓差。每一種磁不對稱都會引起相應(yīng)幅值和頻率的軸電壓分量,各個軸電壓分量疊加在一起,使這種軸電壓的頻率成分很復(fù)雜,其中基波分量的幅值最大,3次和5次諧波幅值稍小,更高次諧波分量幅值很小。

這種交流軸電壓一般為20V～30V ,有些甚至更大，它具有較大的能量。如果不采取有效措施,此種軸電壓經(jīng)過軸—軸承—殼體等處形成一個回路,產(chǎn)生一個很大的軸電流。

軸電流引起的電弧加在軸承和軸表面之間,其主要后果是引起軸承上滾子和軸承滾道表面的磨損,并使?jié)櫥脱杆倭踊?。由此會加速軸承的機械磨損，并伴隨NVH異響問題。

2.2靜電感應(yīng)引起的軸電壓

這種出現(xiàn)在轉(zhuǎn)軸和殼體之間的直流型電壓,是在一定條件下高速流動的濕蒸汽與相關(guān)機械摩擦出的靜電電荷產(chǎn)生的。這種靜電效應(yīng)僅僅偶然在某種條件下才能出現(xiàn),并非經(jīng)常存在。

隨著運行工況的不同,這種性質(zhì)的軸電壓有時會很高,當(dāng)人觸及時會感到麻手。在足夠的積累之前它不會形成電勢差,但如果不采取措施將該靜電電荷導(dǎo)入大地,它將在電機軸承油膜上聚集并且最終在油膜上放電而導(dǎo)致軸承損壞，軸承電腐蝕照片如下圖3所示。

圖3—軸承滾珠滾道電腐蝕照片

2.3靜態(tài)勵磁系統(tǒng)引起的軸電壓

靜態(tài)勵磁系統(tǒng)將交流電壓通過靜態(tài)可控硅整流輸出直流電壓供給發(fā)電機勵磁繞組,此直流電壓為脈動型電壓。對于采用三相的靜態(tài)勵磁系統(tǒng),其勵磁輸出電壓的波形變化迅速。

這個快速變化的脈動電壓通過發(fā)電機的勵磁繞組和轉(zhuǎn)子本體之間的電容耦合在軸對地之間產(chǎn)生交流電壓。此種軸電壓呈脈動尖峰狀 ,它疊加到磁不對稱引起的軸電壓上,從而使油膜承受更高的尖峰電壓。在增大到一定程度時,擊穿油膜,形成電流而造成機械部件的灼傷和損壞。

2.4剩磁引起的軸電壓

當(dāng)電機嚴(yán)重短路或其他異常工況下,經(jīng)常會使轉(zhuǎn)軸、殼體等部件磁化并保留一定的剩磁。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時,就會產(chǎn)生電勢,稱為單極電勢。

正常情況下,微弱的剩磁所產(chǎn)生的單極電勢僅為毫伏級。但在轉(zhuǎn)子繞組匝間短路或兩點接地時,單極電勢將達(dá)到幾伏至十幾伏,會產(chǎn)生很大的軸電流,沿軸向經(jīng)軸、軸承和殼體回路流通,不僅燒損軸承等部件,而且會使這些部件嚴(yán)重磁化。

2.5 外部電源接入產(chǎn)生軸電壓

外部電源接入產(chǎn)生軸電壓是由于運行現(xiàn)場接線比較繁雜，尤其大電機保護(hù)、測量元件接線較多，哪一根帶電線頭搭接在轉(zhuǎn)軸上，便會產(chǎn)生軸電壓。

2.6逆變器供電產(chǎn)生軸電壓 

電動機采用逆變器供電運行時，由于電源電壓含有較高次的諧波分量，在電壓脈沖分量的作用下，定子繞組線圈端部、接線部分、轉(zhuǎn)軸之間產(chǎn)生電磁感應(yīng)，使轉(zhuǎn)軸的電位發(fā)生變化，從而產(chǎn)生軸電壓。

2.7 其他原因

如測溫元件絕緣破損等因素都有可能導(dǎo)致軸電壓的產(chǎn)生。

三、軸電流的危害

軸電壓不高，通常乘用車用電機為30V左右，有些會高些，但回路電阻很小，因此，產(chǎn)生的軸電流可能很大，有時達(dá)數(shù)百安培。

當(dāng)軸承因安裝、油污、損壞或老化等原因失去絕緣性能時，電機軸電壓足以擊穿軸承油膜而產(chǎn)生放電。放電會使?jié)櫥挠唾|(zhì)逐漸劣化，軸承滾珠兩端出現(xiàn)電腐蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重者會使軸承燒壞，被迫停機造成事故。

圖4—軸承滾珠滾道出現(xiàn)電腐蝕的過程

滾動軸承內(nèi)外圈滾道上類似搓板一樣的紋路，見下圖5所示。這是由于軸電流流經(jīng)滾道與滾動體的接觸面時產(chǎn)生放電火花使局部金屬材料熔化，熔化物被高速旋轉(zhuǎn)的內(nèi)圈和滾動體碾壓形成搓板紋；對滑動軸承，會在軸瓦合金表面形成放電火花燒灼的痕跡。這些都會對軸承造成嚴(yán)重傷害。

當(dāng)軸電壓超過軸承潤滑油的絕緣能力，即高于油層的擊穿電壓時，會產(chǎn)生火花電流。此時，油膜被擊穿，軸承內(nèi)外滾道瞬間短路。

整個過程可簡化為：軸電壓迅速放電→對軸承內(nèi)側(cè)“打電弧”→產(chǎn)生電腐蝕。

由于滾珠與滾道內(nèi)表面為點接觸，放電電流密度很大，電流的瞬間高溫可能灼傷軸承，導(dǎo)致軸承座圈出現(xiàn)電腐蝕和槽溝（具體如下圖5），整車上的體現(xiàn)通常是伴隨著NVH問題，引起顧客的抱怨。

圖5—軸承滾道電腐蝕現(xiàn)象

四、軸電壓的測量方法

面對電機軸承中存在電腐蝕問題，各家OEM在設(shè)計初期均需要準(zhǔn)確的信息知曉自家產(chǎn)品是否存在電腐蝕風(fēng)險，所以軸電壓的測量方法就顯得異常重要，其中如何保證測量的準(zhǔn)確性就顯得更加重要。

下面介紹的電機軸電壓測試方法，通過PC端準(zhǔn)確安全可靠的將軸電壓實時記錄并保存下來，以提前了解電機軸承運行狀態(tài)，其中碳刷固定方案需做好絕緣，固定方式見下圖6所示。

圖6—導(dǎo)電環(huán)固定圖示

利用示波器、導(dǎo)電刷（一般采用碳釬維束，測量結(jié)果更準(zhǔn)確且穩(wěn)定）、普通測試探頭及線纜一套、高壓測試探頭及線纜一套、測試探頭固定夾具等工具，將各部件連接起來，軸電壓由示波器實時顯示出來,并通過數(shù)據(jù)線傳入到PC端。

圖7—常用的導(dǎo)電刷圖例

首先搭建好臺架，將電機轉(zhuǎn)軸與測試臺架由絕緣聯(lián)接器連接，合箱固定螺栓同樣需做絕緣處理，然后將用普通測試探頭與導(dǎo)電刷連接，并將電刷另一頭與電機旋變端轉(zhuǎn)軸接觸，探頭另一接線夾持在殼體上；將電容組成的輸入端分別用銅導(dǎo)線連接到電機三相端子處，將電容組成的輸出端與高壓測試探頭連接，并通過導(dǎo)線連接示波器并由網(wǎng)線接入PC端。最后可從PC端讀出示波器采集的軸電壓及三相共模電壓。

圖8—臺架絕緣處理圖示

五、行業(yè)內(nèi)應(yīng)對軸承電腐蝕危害的解決方案

軸承電腐蝕問題的發(fā)生是因為軸電流通過了軸承滾珠與滾道的點接觸區(qū)域，所以通常的解決思路有兩個：第一個思路是對軸承進(jìn)行絕緣處理，隔斷軸電流的導(dǎo)通。第二個思路是讓軸電流進(jìn)行旁路傳導(dǎo)，不讓電流通過軸承，這樣就可以解決電腐蝕問題。

圖9—軸承發(fā)生電腐蝕的原理說明

5.1碳刷方案

對于軸電壓的治理方法其實并不困難，使用碳刷一邊與軸接觸，另一端接地即可，將電導(dǎo)入地下即可有效防止軸電壓的產(chǎn)生，示意圖如下所示。比如大陸電驅(qū)動產(chǎn)品，具體實物應(yīng)用結(jié)構(gòu)如下圖10所示.

圖10—碳刷安裝示意圖

如果測試效果不好，可以通過增加碳刷的方法進(jìn)行改善，如下圖11所示。

圖11—碳刷方案安裝示意圖

采用碳刷方案有優(yōu)點也有缺點，具體分析如下：

優(yōu)點：成本較低，方案易于實現(xiàn)，可以有效解決軸承電腐蝕問題。

缺點：碳刷會存在可靠性耐久問題，隨著時間的累積，碳刷存在磨損的情況，粉塵掉入油冷電機中會導(dǎo)致潤滑油變質(zhì)，油品的擊穿電壓降低，同時，碳粉塵會導(dǎo)致電機中電子元器件短路的風(fēng)險，所以國內(nèi)應(yīng)用案例并不多，某電驅(qū)的產(chǎn)品中安裝在電機外部，這樣粉塵也不會掉落在電機結(jié)構(gòu)內(nèi)部。具體實物應(yīng)用結(jié)構(gòu)如下圖12所示.

圖12—碳刷應(yīng)用實例

5.2導(dǎo)電環(huán)方案

導(dǎo)電環(huán)方案與碳刷方案類似，即一邊與軸接觸，另一端安裝在殼體上（接地）即可，將電導(dǎo)入地下即可有效防止軸電壓的產(chǎn)生，示意圖如下圖13所示。應(yīng)用客戶較多，特斯拉、吉利、廣汽均有產(chǎn)品應(yīng)用。

圖13—導(dǎo)電環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

導(dǎo)電環(huán)方案有優(yōu)點也有缺點，具體分析如下：

優(yōu)點：安裝簡單，改善效果明顯，可以有效解決軸承電腐蝕問題。

缺點：成本較高，需要殼體以及軸均配合進(jìn)行調(diào)整。同時在油冷電機中效果不穩(wěn)定，因為高速運轉(zhuǎn)工況下，潤滑油絕緣特性會起一定的絕緣作用，所以高速運轉(zhuǎn)情況下的電腐蝕問題會依然存在。

5.3導(dǎo)電油脂軸承方案

導(dǎo)電油脂軸承是相對來說最簡單的方法，與普通軸承尺寸完成相同，只是內(nèi)部油脂在滿足耐高溫性能和低溫流動性的基礎(chǔ)上，增加了油脂導(dǎo)電性和抗電腐蝕性，可以延長軸承的使用壽命，同時相對于常規(guī)軸承，導(dǎo)電油脂軸承的導(dǎo)電性能更優(yōu)，軸承導(dǎo)電性能測量結(jié)果如下圖14所示，此設(shè)計在國內(nèi)比較多，長安、特斯拉均有產(chǎn)品應(yīng)用。

圖14—導(dǎo)電油脂軸承導(dǎo)電性能測量結(jié)果

導(dǎo)電油脂軸承方案優(yōu)缺點對比如下

優(yōu)點：設(shè)計簡單，優(yōu)化改動最小，成本最優(yōu)，可以有效減小軸電壓有效值。

缺點：導(dǎo)電油脂軸承改善方案的效果不太穩(wěn)定，冷態(tài)情況下，油脂油膜沒有有效形成之前，對于軸電壓改善效果不明顯，但是當(dāng)溫度升起來后，對于軸電壓的改善會有明顯的改善。

5.4 陶瓷（球）軸承方案以及軸承外圈絕緣處理方案

此方案的原理是對軸承進(jìn)行電氣絕緣，防止軸向電流通過軸承，即采用“堵”的方法解決軸電流的產(chǎn)生。具體圖示見下圖15所示，左圖為陶瓷球軸承示意圖，右邊為軸承外圈絕緣處理方案，都是采用“堵”的思路。

圖15—陶瓷（球）軸承方案以及軸承外圈絕緣處理方案

軸承絕緣處理方案優(yōu)缺點對比如下：

優(yōu)點：成本相對要高，裝配簡單，對軸電流的改善效果明顯。

缺點：可靠性和耐久問題存在風(fēng)險，另外，外圈絕緣處理的零件不易生產(chǎn)，同時此方案對電機配合零件的傳動系統(tǒng)可能存在一定的損傷，電壓可能通過配合的傳動系統(tǒng)找到其他更大的回路，從而對配合件產(chǎn)生電腐蝕問題。

不同方案可能存在不同的情況，需要注意的是，不管是采用陶瓷軸承抑或是在軸承內(nèi)外圈噴涂絕緣涂層，對電蝕而言，這兩種方法都存在較大的隱患，由于內(nèi)部機理較為復(fù)雜，此處給出簡單解釋：從能量分析的角度，此種方法并沒有削弱寄生電能，這些高頻寄生電能將會通過軸承外圈與其他結(jié)構(gòu)耦合形成流通路徑，進(jìn)而釋放能量。

5.5 導(dǎo)電密封方案

導(dǎo)電密封方案通過旁路傳導(dǎo)的方法，旁路導(dǎo)電以防止軸向電流通過軸承，以此來規(guī)避軸電流對軸承的電腐蝕。具體實物應(yīng)用結(jié)構(gòu)如下圖16所示，其中左圖為常規(guī)設(shè)計方案，右圖為應(yīng)用導(dǎo)電密封方案的設(shè)計思路。

圖16—導(dǎo)電密封方案對比

導(dǎo)電密封方案優(yōu)缺點對比如下：

優(yōu)點：此方案的軸向和徑向尺寸更優(yōu)，可以與油封配合，不需單獨增加更多的重量，同時磨損性能相比于碳刷方案以及導(dǎo)電環(huán)方案更優(yōu)。

缺點：在油冷電機中，軸電壓的改善效果受潤滑油的影響。需繼續(xù)驗證。

六、結(jié)束語

軸電壓的預(yù)防不僅僅在于源頭阻斷、路徑阻斷以及末端采取措施，更重要的是以預(yù)測性維護(hù)的角度，定期驗證應(yīng)對措施采取的有效性以及可靠耐久性，實現(xiàn)真正意義上的保障軸承、保障電機、保障安全。