变频电机轴电流的防止
浅析变频电机轴电流对电机轴承的影响及预防措施
运行与维护84丨电力系统装备 2019.2Operation And Maintenance2019年第2期2019 No.2电力系统装备Electric Power System Equipment我厂挤压造粒有一台电机，由AAB ACS800变频器驱动，电机额定功率是234 kW ，工作电压380 V ，最高转速495 r/min ， 额定电流 612.8 A ，电机为 F 级绝缘，电机轴承为深沟球轴承。
连续运行3~6个月左右的时间后，电机非负荷侧出现噪音增大，振动加速度增大，运行中的轴承温度迅速升高，已达到高温报警温度，DCS 显示报警温度为80℃，热成像仪检测电机机身最高点温度为 65℃，电机已无法正常运行，必须紧急停车并对电机进行检修。
1 检修情况电机紧急停车后，对电机进行拆解检修，电机非负荷侧6319/C3轴承出现过热变色现象，轴承室和轴承轨道内润滑油脂严重缺失，轴承室四周布满了黑色金属粉末；同时，轴承外套轨道内侧出现呈150°角扩散“搓衣板”状深约0.5 mm 左右的沟槽，电机定子线圈内存有较多因高温融化的液态油脂（图1）。
负荷侧6324/C3轴承外套内侧有成不规则分布的磨痕。
电机内油盖、外油盖及电机端盖都有不同程度的磨损。
2 电机轴承烧损原因分析从损坏的轴承外套看，其轨道上都存在呈150°角扩散“搓衣板”状深约0.5 mm 左右的沟槽。
仔细观察，发现这些沟槽有电弧灼伤的现象。
由于电机运行时转子存在着10 ~20 V 的轴电压，而轴电流通过转子与轴承之间构成电流回路，导致轴承钢珠与轴承外套之间绝缘击穿，出现放电现象，使轴承外套内侧出现“搓衣板”状深约0.5 mm 左右的沟槽。
沟槽又使轴承与转子间的摩擦力增大，使轴承运行温度上升较快，润滑脂由于轴承运行温度较高，融化后大量溢出，造成轴承磨损增大（图2），非负荷侧轴承出现径向位移，造成电机两侧轴承不同心运行，轴承承受着较大的径向力，导致电机两侧端盖以及前端轴承外套内侧磨损严重。
变频电机轴电流产生的原理分析及应对措施
Le的 计
Jv = h J S h
式 中 ， 为轴承的电流密度(A/mm2) ;!b为 轴 电 流 （A ) ;Sb为轴
(柱$与 道的
(mm2$ 。
研究表明， 的电流密度J b<0. 5 6 A/mm2时 ，Le远大
于的
，轴承电流不会对
的运行
带
著的影响；当 J b=0. 8 A/mm2时 ，Le与轴承的机械寿命相当，此
电
，一般工频电
电压
的 包 括磁路不平衡、静 电 感 应 、电 容电流等。 ：弦
工 频 电 网 供 电 时 ，正 常 情 况
电位差
，对 电 机
的影响
。
广泛应用的变频电机大 用 P W M 逆变 器 供 电 ，这
时电机的轴电压主要 于电源 输出电压的 和 不 为 0
的零
。变 频 器 P W M 脉宽调制导致调速驱动系统
电气工程与自动化！Dianqi Gongcheng yu Zidonghua
变频电机轴电流产生的原理分析及应对措施
王刚 (西门子（中国）有限公司上海分公司，上 海 200082)
摘 要 :对变频电 电流 的
行，
电流的危害，提出了多种应对措施。
关键词:变频电机;轴电压;轴电流;轴承;绝缘；电 容
0 引言
变时
过电机定子绕组相对转子之间的电
பைடு நூலகம்
容 C胃
对外壳之间的电容Cb充 电 。轴和轴承
之间的 电压时间特
所有电
时 或 多 或 少 都 会 产 生 轴 电 压 ，电 机 所 容 许 的
电 压 或 轴 电 流 与 很 多 因 素 有 关 。轴 电 压 的 精 确 限 值 几 乎 不
电动机轴电流的危害与防治
EA经验荟萃由于轴承中的绝缘润滑油膜被破坏，在这种电流称为轴电流。
轴电流以往多出现在大电动机中，但随着逆变器供电的发展，中型电动机中也出现一定的轴电流，而轴电流对电动机轴承及相关部件的危害极大，越来越引起国内外专家与相关工程技术人员的重视。
轴电流的危害在正常情况下，电动机的轴电压较低，轴承内的润滑油膜能起到绝缘作用，不会产生轴电流。
但当轴电压较高或油膜未稳定形成时，就会使润滑油膜击穿，形成轴电流。
轴电流的危害表现在以下几个方面：（１）轴电流使轴承内的润滑油电离，破坏油膜的形成条件及稳定性，加快润滑油的劣化，降低润滑性能和介电强度。
（２）过大的轴电流在滚动轴承的滚珠与滚道、滑动轴承的轴颈与轴瓦的表面产生电弧放电麻点、小凹坑或横沟，使轴承灼伤，破坏轴承的光洁度。
（３）轴电流还可在轴承外表面产生电腐蚀。
（４）由于上述情况，轴电流会使轴承温升加剧，甚至使之烧毁。
这给现场的安全生产带来极大的影响，同时轴承的损坏及更换带来的直接与间接的经济损失也不少。
对轴电流的危害程度从几个方面进行分析对比：（１）对滚动轴承与滑动轴承的影响。
由于滚动轴承中的滚珠与滚道的接触点小，轴电流在这些点的电流密度就很大，因而对滚动轴承的影响明显大于滑动轴承，具体情况如表１与表２所示。
（２）对大电动机与中小型电动机的影响。
由于大电动机的容量大，相应地出现的轴电流也就大，因而对电动机轴承的影响也就大些，而对于中型电动机轴承的影响就小些。
对于小容量电动机，轴电流很小或没有轴电流，就不产生什么影响。
所以考虑轴电流的影响，主要是指大电动机。
（３）起制动时与正常运行时的情况比较。
电动机起制动时，轴承内的润滑油膜还未稳定的形成，轴电压易将油膜击穿放电，形成轴电流。
正常运行时，润滑油膜已稳定形成，轴电压击穿油膜的可能性小。
所以电动机起制动（包括重载低速运行）时，轴电流对轴承损伤的可能性要大些。
（４）传动性能要求较高的系统与一般拖动情况比较。
目前变频调速系统由于其传动性能好得到了广泛应用，但使用变频器后，由于电动机过渡过程中的参数不稳定，往往产生较大的零序电压高频分量；同时较高的载波频率又降低了系统的零序回路阻抗，这样就使得电动机的轴电压和轴电流较电网供电的一般拖动系统增大了许多，因而对轴承的损伤也要大许多。
电动机轴电流的防范措施
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电动机轴电流的防范措施
长期以来我国低压配电系统接地保护型式基本上采用接地、零重复接地的保护系统，这是一套保守的安全体系。
改革开放以来，随着对外技术交流的增多，引进了不少国外设备，也带来标准上与国际接轨的必要。
近些年颁布实施的《民用建筑电气设计规范》(JGJ/T16-92)、《低压配电设计规范》(GB50054-95)等规范和标准，无一不是尽量引用国际电工学会的IEC标准。
在低压配电系统接地上也规定了三种型式：TN、TT、IT。
这几种接地型式和残余电流保护都涉及到中性线是否装设开关问题。
1、TN系统中，N线上出现电流已非偶然，无论是三相运行的负荷不平衡，还是电路中拥有的整流及大型可控硅元件，都会使中性线有电流流过，并有可能大大超过单相运行的正常值。
长此以往中性线过载，将会造成发热而烧断，引起负载端的中性点电位偏移，而损坏家用电器。
在事故情况下，还会危及人身安全。
这种现象随家用电器的大量增加而加剧，因此安装四极(二极)开关，让中性线与相线一道切断，起到保护作用尤其重要。
但是开关作为功能控制器，并不是任何场合都可以切断中性线的，要根据不同的接地保护型式来确定，现分析如下：
1.1 TN系统
TN-C系统在各类工业与民用建筑中大量采用，《低压配电设计规范》明确规定：“在TN-C系统中，严禁断开PEN线，不得装设断开PEN线的任何电器。
”因此，TN-C系统不应装设四极开关。
TN-S系统中，标准、规范均未强调中性线严禁装设开关，这时PE线和N线是分开设置的。
此时装设四极开关，符合。
防止电动机轴电流产生的措施
防止电动机轴电流产生的措施
1．在轴端安装接地碳刷，使接地碳刷牢靠接地，并且与转轴牢靠接触，保证转轴电位为零电位，随时将电机轴上的静电荷引向大地，以此消退轴电流。
2.为防止磁不平衡等缘由产生轴电流，在非轴伸端的轴承座和轴承支架处加绝缘隔板，切断轴电流的回路。
3．要求检修运行人员细致检查并加强导线或垫片绝缘。
4．在机座中除一个轴承座外，其余轴承座及包括全部装在其上的仪表外壳等金属部件都对地绝缘，不绝缘的轴承应装接地电刷以防静电充电。
5.对于由轴交链交变磁通所产生的轴电压，可在电动机一侧的轴承座下加绝缘垫以割断轴与轴瓦之间形成的回路，使轴电流无法产生。
但在实际工作中对绝缘垫的作用熟悉不清，从绝缘垫加装的方法和轴承座与油管道的连接上都不同程度地消失过问题，最终造成绝缘垫起不到绝缘作用，进而形成轴电流。
所以我们要常常检查轴承座的绝缘强度，用500V摇表测量，绝缘不得低于0.5MSZo
6.保持轴与轴瓦之间润滑绝缘介质油的纯度，发觉油中带水必需进行过滤处理，否则油膜的绝缘强度不能满意要求，简单被低电压击穿。
一般通过以上处理，电动机的轴电流微乎其微，对电动机构不成实质危害。
现场实践证明，经上述方式处理后实际使用寿命可由原几十个小时提高到上万小时，效果比较明显，尤其对高压电动机轴电流的
防范效果好。
变频调速电机轴电压和轴电流问题及解决措施
变频调速电机轴电压和轴电流问题及解决措施2017年12月目录1变频调速电机轴电压和轴电流问题的种类和形成原因 (1)2低压大功率变频调速电机轴电压和轴电流问题的重要性 (2)3低压大功率变频调速电机轴电压和轴电流问题的难点 (3)4.一般变频调速电机轴电压和轴电流问题的解决方案 (4)5.低压大功率变频调速电机轴电压和轴电流问题的解决方案初探 (5)4变频调速电机轴电压和轴承电流试验测试 (11)1变频调速电机轴电压和轴电流问题的种类和形成原因电机运行时，轴承两端之间产生的电位差称之为“轴电压”，该电压加在由电机转轴、轴承、端盖、机座构成的回路中，从而引起了轴承电流（该电流也可能通过联轴器传递至传动机械，见图1）。
轴承电流一般存在3种不同的形式：环路电流、 dV／dt电流和EDM(electrical discharge machining)电流。
这3种不同的形式可以单独出现，也可以同时出现。
图1➢环路电流：正弦波驱动的电机系统中电机的结构上的不对称、气隙不均匀等）。
不对称的磁路会在磁轭产生环形交流磁通（环状磁通），从而产生交流感应电压。
当感应电压破坏轴承润滑剂的绝缘能力时，就会有电流流过此回路。
流经途径为导电的电机轴、机壳、轴承沟道、滚动体等。
图2为环路电流可能流经的各部分零部件所组成的通路。
图2➢dV／dt电流：PWM逆变器中，由于电路、元器件、连接和回路阻抗的不平衡，电源电压将不可避免的产生零点漂移，从而产生高频的共模电压。
由于寄生电容Cwr的存在，在电机轴上会形成轴电压Vshaft。
由于电机端输入的是PWM脉冲电压，这些脉冲序列电压耦合到电机轴上会得到交变轴电压，经过轴承电容流到大地，从而产生形成dV／dt轴承电流。
dV／dt电流一般只有0.1～0.15A，主要为高频分量，对轴承影响很小，主要是持续不断地腐蚀着轴承上的润滑剂，最后造成电介质击穿。
➢EDM电流：第3种形式的轴承电流是由内外圈的间隙（包括油膜）电容放电引起的轴承电流，又叫EDM电流。
变频电机轴电流产生的原理分析及应对措施
变频电机轴电流产生的原理分析及应对措施概述在变频电机应用过程中，轴电流问题经常会受到重视。
因为轴电流大大影响电机运行稳定性和寿命，通过分析轴电流的产生原理，我们可以采取一些有效的应对措施，提高电机的使用效果和寿命。
本文将对变频电机轴电流产生的原理进行分析，并提出相应的解决方案。
变频电机轴电流产生原理声磁耦合原理在变频电机开关管的控制下，电机的电源电压不断变换，产生频繁的电磁波动。
这种电磁波动可以锁定电机铁芯磁路的频率，从而产生定子和转子之间的声磁耦合作用。
这种声磁耦合效应可以产生轴电流。
物理机制当电机旋转时，定子和转子之间会产生磁场差异。
当电机被反向运行时，传递磁场的磁通量会转移。
这种磁通量变化会在转动轴上产生感应电流，进而导致轴电流。
因此，当电机发生反转现象时，会产生轴电流。
频率问题电机轴电流的产生主要取决于电机的运行频率。
当电机运行频率低于10Hz时，一般不会产生轴电流。
而当运行频率达到10Hz以上时，轴电流的产生率逐渐增加。
当运行频率达到50Hz甚至更高时，轴电流的产生率会非常高。
变频电机轴电流应对措施为了解决变频电机的轴电流问题，我们可以采取以下措施。
实施反电动势降噪措施在电机运行的过程中，特别是当电机运行频率过高时，电机会产生反电动势，这种反电动势也会沿轴线产生电压，引发轴电流。
因此，我们可以针对电机产生的反电动势进行降噪措施，如在电路中加装反电动势滤波器、加装对称容量、限流电容等措施，有效减少轴电流的产生率。
加装零序电流保护当电机运行频率达到一定程度时，轴电流的产生率明显增加。
在这种情况下，加装零序电流保护装置可以有效降低轴电流的产生率，从而减少电机的损坏风险。
同时，这种零序电流保护装置还可以有效检测其它故障，如短路、接地等问题。
采用卟啉弱磁环电机的铁芯一般是由硅钢片构成，硅钢片中还会含有铝、钚、卟啉等元素，其中，卟啉是一种磁性很弱的元素。
我们可以通过在变频电机的铁芯中加入一定比例的卟啉物质，来有效降低电机磁强度，从而减少轴电流的产生。
电动机轴电流的防范措施
电动机轴电流的防范措施集团企业公司编码：（LL3698-KKI1269-TM2483-LUI12689-ITT289-电动机轴电流的防范措施一、轴电压、轴电流的产生在电动机运行过程中，如果在电机两轴承端或转轴与轴承间存在轴电流时，将会大大缩短电机轴承的使用寿命，严重时只能运行几小时。
1．磁不平衡产生轴电压交流异步电动机在正弦交变的电压下运行时，其转子处在正弦交变的磁场中。
由于电动机定转子扇形冲片、硅钢片等叠装因素，再加上铁芯槽、通风孔等的存在，在磁路中造成不平衡的磁阻。
当电动机的定子铁芯圆周方向上的磁阻发生不平衡时，便产生与轴相交链的交变磁通，从而产生交变电势。
当电动机转动即磁极旋转，通过各磁极的磁通发生了变化，在轴的两端感应出轴电压，产生了与轴相交链的磁通。
随着磁极的旋转，与轴相交链的磁通交替变化，这种电压是延轴向而产生的，如果与轴两侧的轴承形成闭合回路，就产生了轴电流。
一般情况下这种轴电压大约为1-2V。
2．逆变供电产生轴电压电动机采用逆变供电运行时，供电电压含有高次谐波分量，使定子绕组线圈端部、接线部分、转轴之间产生电磁感应从而产生轴电压。
异步电动机的定子绕组是嵌人定子铁芯槽内的，定子绕组的匝间以及定子绕组和电动机机座之间均存在分布电容，当通用变频器在高载频下运行时，逆变器的共模电压产生急剧变化，会通过电动机绕组的分布电容由电动机的外壳到接地端之间形成漏电流。
该漏电流有可能形成放射性和传导性两类电磁干扰。
而由于电动机磁路的不平衡，静电感应和共模电压又是产生轴电压和轴电流的起因。
当定子绕组输人端突加陡峭变化的电压时，由于分布电容的影响，绕组各点电压分布不均，使输入端绕组接近端口部分电压高度集中而引起绝缘破坏或老化。
这种现象一般破坏的部分是定子绕组，电压常集中于侵入的端点部位。
此外，由于绕组的电抗较大，输人电压的高频分量将集中于输人端点附近的分布电容上，通过配电线、绕组、机壳间的分布电容到接地线流通电流，形成一个LC串联谐振电路，当其中产生高频谐振电流时，就会产生各式各样的故障。
变频技术对交流电动机轴电流的影响与预防5.28
变频技术对交流电动机轴电流的影响与预防大型交流电动机运行中产生轴电压是不可避免的，轴电流作用在电机轴承上引起轴承烧损的事故并没有引起人们的重视。
而且，随着变频技术和大功率、高切换频率功率元件的应用，轴电流导致轴承损坏、电机振动、发热的情况有迅速上升的趋势。
人们往往只注意从机械配合方面考虑，严格更换新轴承装配工艺，忽视了轴电流的预防，导致短时间内连续发生轴承烧损事故，直接影响了电动机运行的可靠寿命，应该引起电动机用户和电机制造厂商的关注。
1 工频运行下电动机轴电流的形成与危害1.1 轴电压产生的原因旋转电机在运行中产生轴电压的原因有轴交链交变磁通和静电荷积累两种。
前者产生的轴电压是连续的、周期性的。
通常,电动机的转子在对称的正弦交变磁场中运行，电动机转子切割磁场感应的交变电势所产生的交变电流也是对称的，所以，正常时转子两端间不会有不对称电压的出现。
但是，当电动机定子铁心的圆周方向上的磁阻出现不平衡时，便产生与轴相交链含有谐波的交变磁通，这时就会产生不对称交变电势。
随着磁极的旋转，与轴相交链的磁通交替变化，便产生了轴电压。
这种电压是沿轴向而产生的。
一般情况下，这种轴电压大约为1～2 V。
然而，静电荷产生的轴电压是间歇的，并且是非周期的，其大小与运转状态、流体的状态等因素关系很大。
电动机在运行过程中，负载方面的流体会与运行的旋转体摩擦而在旋转体上产生静电荷，电荷逐渐积累便产生轴电压。
由这种情况产生的轴电压和由磁交变所产生的轴电压在机理上是不同的。
轴电压一般不高，通常在8～10V左右。
在测定轴电压时应选用10～20V的高内阻交流电压表，被试电机在额定电压下空载运行，如图(1)所示，用电压表测定轴电压U1，然后将转轴一端与其轴承座短接，测轴承对地的轴电压U2，测点表面应与电压表引线接触良好。
轴承外圈，转轴，转子，同时，比较U1和U2可以得知油膜的绝缘状况：当U1 = U2 说明油膜状态良好。
当U1 > 1.1 U2 说明油膜绝缘不良。
电动机轴电流的防范措施通用版
解决方案编号：YTO-FS-PD621电动机轴电流的防范措施通用版The Problems, Defects, Requirements, Etc. That Have Been Reflected Or Can Be Expected, And A Solution Proposed T o Solve The Overall Problem Can Ensure The Rapid And Effective Implementation.标准/ 权威/ 规范/ 实用Authoritative And Practical Standards电动机轴电流的防范措施通用版使用提示：本解决方案文件可用于已经体现出的，或者可以预期的问题、不足、缺陷、需求等等，所提出的一个解决整体问题的方案（建议书、计划表），同时能够确保加以快速有效的执行。
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一、轴电压、轴电流的产生在电动机运行过程中，如果在电机两轴承端或转轴与轴承间存在轴电流时，将会大大缩短电机轴承的使用寿命，严重时只能运行几小时。
1．磁不平衡产生轴电压交流异步电动机在正弦交变的电压下运行时，其转子处在正弦交变的磁场中。
由于电动机定转子扇形冲片、硅钢片等叠装因素，再加上铁芯槽、通风孔等的存在，在磁路中造成不平衡的磁阻。
当电动机的定子铁芯圆周方向上的磁阻发生不平衡时，便产生与轴相交链的交变磁通，从而产生交变电势。
当电动机转动即磁极旋转，通过各磁极的磁通发生了变化，在轴的两端感应出轴电压，产生了与轴相交链的磁通。
随着磁极的旋转，与轴相交链的磁通交替变化，这种电压是延轴向而产生的，如果与轴两侧的轴承形成闭合回路，就产生了轴电流。
一般情况下这种轴电压大约为1-2V。
2．逆变供电产生轴电压电动机采用逆变供电运行时，供电电压含有高次谐波分量，使定子绕组线圈端部、接线部分、转轴之间产生电磁感应从而产生轴电压。
异步电动机的定子绕组是嵌人定子铁芯槽内的，定子绕组的匝间以及定子绕组和电动机机座之间均存在分布电容，当通用变频器在高载频下运行时，逆变器的共模电压产生急剧变化，会通过电动机绕组的分布电容由电动机的外壳到接地端之间形成漏电流。
变频电机轴电流产生的原因及对策
所谓轴电压是指转轴两端之间或转轴与轴承之间的电位差。轴电压由轴颈、油膜、轴 承、基座及基础底座构成回路，当油膜被破坏时，就在回路内产生电流，即为轴电流。 1、 变频电机轴电压产生的原因 1）磁不平衡产生轴电压。电动机由于扇形冲片、硅钢片等叠装因素，再加上铁心槽、 通风孔等的存在，造成在磁路中通切割转轴，在轴的两端感应出轴电压。 2）变频电源供电产生轴电压。电动机采用变频电源供电时，电源三相输出电压的矢 量和不为零，产生零序电压分量（共模电压）。
由于定子绕组和电机机壳之间存在很大的耦合电容，在高频的du/dt下，经定子绕组 到机壳之间的耦合电容，产生电机绕组对地的漏电流，这些电流的频率由100 kHz变 化到几MHz。这些频率变化的对地电流将在电机转轴周围产生变化的磁通，这种变 化的磁通会在电机转轴上产生轴电压。 3）静电感应产生轴电压。在电动机运行现场周围有较多高压设备，在强电场的作用 下，在转轴的两端感应出轴电压。 4）外部电源的介入产生轴电压。由于运行现场接线比较繁杂，尤其大电机保护、测 量元件接线较多，哪一根带电线头搭接在转轴上，便会产生轴电压。 5）其他原因。如静电荷的积累、测温元件绝缘破损等因素都有可能导致轴电压的产 生。
当电机在正常运行过程中，电机轴承内部形成油膜，在电机轴伸端和非轴伸端形成 轴承电容 C b ,C nb , 加之电机系统内部耦合电容分压影响（电机内部定子绕组到机 壳之间存在耦合电容 C wf , 定子绕组到转子之间存在耦合电容 C wr , 转子到机壳之 间存在耦合电容 C rf ），整个电气拖动系统产生轴承电压，如图1所示。
四、抑制轴电压产生危害的对策
为避免轴电流流过轴承，有三种方案选择：一是加装接地碳刷，二是采用绝缘轴承， 三是采用绝缘轴承套结构。今天我们只涉及一个话题，绝缘轴承，也就是防电蚀轴 承。。 绝缘轴承包括所有能阻止电流通过通道“外圈——滚动体——内圈”的滚动轴承。包 括混合陶瓷轴承和电绝缘轴承 混合陶瓷轴承，轴承内外圈由轴承钢制成，和氮化硅制成的滚动体组合成为绝缘轴 承。除具有良好的电绝缘特性以外，可在更高转速下运行
电动机轴电流的防范措施
仅供参考[整理] 安全管理文书电动机轴电流的防范措施日期：__________________单位：__________________第1 页共7 页电动机轴电流的防范措施一、轴电压、轴电流的产生在电动机运行过程中，如果在电机两轴承端或转轴与轴承间存在轴电流时，将会大大缩短电机轴承的使用寿命，严重时只能运行几小时。
1．磁不平衡产生轴电压交流异步电动机在正弦交变的电压下运行时，其转子处在正弦交变的磁场中。
由于电动机定转子扇形冲片、硅钢片等叠装因素，再加上铁芯槽、通风孔等的存在，在磁路中造成不平衡的磁阻。
当电动机的定子铁芯圆周方向上的磁阻发生不平衡时，便产生与轴相交链的交变磁通，从而产生交变电势。
当电动机转动即磁极旋转，通过各磁极的磁通发生了变化，在轴的两端感应出轴电压，产生了与轴相交链的磁通。
随着磁极的旋转，与轴相交链的磁通交替变化，这种电压是延轴向而产生的，如果与轴两侧的轴承形成闭合回路，就产生了轴电流。
一般情况下这种轴电压大约为1-2V。
2．逆变供电产生轴电压电动机采用逆变供电运行时，供电电压含有高次谐波分量，使定子绕组线圈端部、接线部分、转轴之间产生电磁感应从而产生轴电压。
异步电动机的定子绕组是嵌人定子铁芯槽内的，定子绕组的匝间以及定子绕组和电动机机座之间均存在分布电容，当通用变频器在高载频下运行时，逆变器的共模电压产生急剧变化，会通过电动机绕组的分布电容由电动机的外壳到接地端之间形成漏电流。
该漏电流有可能形成放射性和传导性两类电磁干扰。
而由于电动机磁路的不平衡，静电感应和共模电压又是产生轴电压和轴电流的起因。
当定子绕组输人端突加陡峭变化的电压时，由于分布电容的影响，绕组各点电压分布不均，使输入第 2 页共 7 页端绕组接近端口部分电压高度集中而引起绝缘破坏或老化。
这种现象一般破坏的部分是定子绕组，电压常集中于侵入的端点部位。
此外，由于绕组的电抗较大，输人电压的高频分量将集中于输人端点附近的分布电容上，通过配电线、绕组、机壳间的分布电容到接地线流通电流，形成一个LC串联谐振电路，当其中产生高频谐振电流时，就会产生各式各样的故障。
电机轴电流的产生及预防措施
低频轴电流轴电流产生的原因是由于采用了变频技术，或者电机制造中产生的不对称，从而在电机转轴两端产生轴电流。
这些轴电流往往频率不高，属于低频轴电流。
一般而言，交流传动系统都会产生轴电流，但是大多数系统的轴电流幅值较小，没有达到危害程度。
如果系统的轴电流较大，可能会损坏电机轴承，甚至齿轮箱轴承。
因为滚动轴承的油膜一般比较薄，对轴电压比较敏感，轴电流流过滚动体与内外圈的细微接触点时，如果电压比较高，内外圈表面的接触面就会出现击穿的痕迹。
一般要求滚动轴承的轴电压小于300mV。
高频轴电流现代电机设计和制造工艺几乎已经消除了低频轴电流，但是现代交流传动系统由于采用PWM变频供电方式和使用IGBT等快速切换元件，所以在轴承上会产生高频电流脉冲。
如果这些脉冲的能量足够高，就会损坏轴承，被损坏轴承的形状呈间断的烧伤条纹典型三相正弦电源是平衡的，即三相的矢量和总是等于零。
由于前述PWM电源存在谐波，所以PWM电源的三相输出电压的矢量和不为零，导致中性点的电压不等于零，这个电压可以定义为共模电压源。
任何时候，当两个导体通过绝缘体隔离开后就产生电容。
例如，电缆的相线与PE线之间有PVC绝缘电容，所以电机绕组与外壳有镀层和片间绝缘有电容。
电缆间电容，尤其是电机内部的电缆间电容非常小，小电容意味着对低频的高阻抗，可以阻止低频杂散电流。
然而对于高频电流，即使电机内电容很小，也会产生一个低阻抗通道使电流可以通过。
每次三相逆变输出的一相由一种电压状态切换到另一种状态时，会产生一个正比于该电压的电流，通过输出电路所有元件的接地电容流向大地。
电流通过接地导体和逆变器的杂散电容流回电源。
由于系统不可避免地存在寄生电容，所以在较高的dv/dt下，高频电压会产生容性寄生电流。
高频轴电流有几种形式，有高频循环电流、轴对地电流、容性放电电流等。
低频轴电流的预防措施一般来说, 防止低频轴电流产生的常规措施有如下几种:(1) 增加接地碳刷, 使转轴接地;(2) 使用绝缘轴承;(3) 使用对称电缆;(4) 增加补偿变压器;(5) 增加绝缘板。
永磁直流无刷、变频电机轴电流的产生及防止
永磁直流无刷、变频电机轴电流的产生及防止摘要：阐述永磁直流无刷、变频电机轴电流产生的机理及危害，介绍了常用防止轴电流的解决方案及成本优劣，提出了当前安全可靠、成本最优的绝缘轴承方法的应用。
关键词：直流无刷、变频电机；轴电流；成本；绝缘轴承随着电子技术发展和电机高能效产品换代趋势，永磁直流无刷电机、异步低压变频调速系统等高效电机产品应用越来越广泛，近几年在中央空调、水泵等主要能耗行业应用尤为明显。
永磁直流无刷电机或者变频电机均采用PWM技术，在使用过程中容易产生轴电流，轴承容易因轴电流失效，严重时会使转轴受到损坏，导致设备故障及外壳带电等，甚至威胁到人身安全。
1. 变频电机轴电流产生的机理及危害1）磁路磁场不平衡产生轴电流电动机由于硅钢片材料的方向性以及叠装因素，再加上通风槽、扣片槽等存在，造成电机在正弦交变的电压下运转时，磁路中存在不平衡的磁阻，定子铁芯圆周方向上的磁阻发生不平衡时，通过各磁极的磁通发生了变化，在轴的两端感应出轴电压，产生了与轴相交链的磁通。
随着磁极的旋转，与轴两侧的轴承形成闭合回路，就产生了轴电流。
2）静电感应产生轴电流在电动机运行现场周围分布的高压设备产生的强电场作用下，在转轴的两端感应出轴电压，存在的电势差会产生轴电流。
3）逆变供电产生轴电流电动机采用逆变供电运行时，供电电压含有高次谐波分量，使定子绕组线圈端部、接线部分、转轴之间产生电磁感应从而产生轴电流。
4）静电荷电动机在运行过程中，负载方面的流体与转体运行磨擦而在旋转体上产生静电荷，电荷逐渐积累便产生轴电压。
轴电压建立起来后，一旦在转轴及机座、壳体间形成通路，就产生轴电流。
5）外部电源大电机多会应用PTC、PTO以及PT100等热敏保护元件，这些元件线路繁杂，一旦裸露的带电体与电机的转轴接触，外部电源的介入直接产生了轴电压。
综上所述，电动机的轴电流是由于电机磁路不对称、逆变供电等原因产生，轴电流路线见图1。
以上原因产生的轴电压或者轴电流，量值达到足以击穿轴承润滑脂油膜时，将通过轴承内圈、滚动体、外圈与电机的端盖壳体形成回路，即产生轴承电蚀现象。
变频电机轴电流现象分析及对策
压 出 一层 厚度 极 薄 的油 膜 ，油膜 可 以起 到润 滑 、绝缘 、
支撑 的作 用 。如 果轴 电压较 低 ，不会 产 生轴 电流 。如 图 ３所 示 ，当轴 电压增 加 到 一定 数 值 ，尤 其 是在 电动机 启 动 时 ，油 膜还 未稳 定 形成 ，瞬 时 产生 的轴 电压 必将 击穿
中图分类号 ：Ｔ Ｍ ３ ４ ４ ． ６
文献标识码 ：Ｂ
文章编号 ：１ ６ ７ １ — ０ ７ １ １（ ２ ０ １ ４）０ ８ — ０ ０ ３ ０ — ０ ３
随 着交 流变 频调 速技 术 日渐成 熟 ，交流 变频 电机驱
动 性能 显 著提 高 ，但是 因变 频 电机 轴 电流 引发 轴承 故障 的现 象 也 不容 忽视 。 中石化 洛 阳分 公 司涤纶 短 纤维 装置
理 分析 ，交 流 电源在 电机 线 圈 中产 生 的磁场 是 三相 对称
的 ，如 果 电机三 相绕 组 相 电流相 同并且 电 流 的相位 角都 差１ ２ ０ 。 时 ，电机 内 部磁 场 平衡 ，不会 产 生 轴 电压 。 导 致 电机 内部 磁 场 不平衡 的原 因为 电动机 设 计存 在 缺陷 ，
单 元输 出 直流 ９ ６ ０ Ｖ 电压 。直 流 母线 拖动 １ ０台西 门子 矢 量 控 制大 功 率变频 器 。变频 器 拖动 的三 相 异步 电动 机 实 现 恒转 矩 控 制 ，依 次 实现 了短 纤维 成 品丝 的预 拉 伸 、拉 伸 、叠 丝 、切 断 、打 包 等 工 序 。１ ０台 电 动 机 额 定 电压 ９ ６ ０ Ｖ，功 率范 围 ３ ０ ０一 一８ ０ ０ ｋ Ｗ ，采 用交 一直 一交 电源 供 应方 式 。由于 轴 电流 的存 在 ，电动机 每 更换 轴承 １—
变频电机轴电压与轴电流产生机理及其抑制
∙变频电机轴电压与轴电流产生机理及其抑制∙2005-6-6 7:32:00 来源：中国自动化网浏览：1202网友评论条点击查看1 引言当电动机在正弦波电源驱动下运行时,通过电机轴的交变磁链产生轴电压。
这些磁链是由转子和定子槽、分离铁心片之间的连接部分、磁性材料的定向属性和供电电源不平衡等因素引起磁通不平衡而产生的[1]。
到90年代，以IGBT为功率器件的PWM逆变器作为电机驱动电源时，电机轴电流问题更加严重，且其产生机理与正弦波电源驱动时完全不同。
文献[1]指出，具有高载波频率（例如10kHz以上）的IGBT逆变器导致电动机的轴承比低载波频率的逆变器驱动时损坏更快。
Busse较为详细地分析了轴承电流的产生及轴承电流密度与轴承损坏之间的关系[2]，并建立了PWM驱动下的轴承电流电路模型，但该模型未能体现出轴承电流与逆变器开关频率之间的关系。
为讨论高频PWM脉冲电压驱动时电机轴电压与轴电流的产生机理，本文在建立轴电压与轴电流电路模型的基础上，分析轴电流产生的条件及形式，并针对逆变器输出电压的特性变化以及电机端有无过电压等情况，通过仿真分析得到不同情况下的轴电压与轴承电流波形。
在抑制轴承电流方面，文献[1]给出的办法用正弦波滤波器将PWM电压转换成正弦波电压，使电机工作在正弦波供电状态下，但该方法所串电感大，系统动态响应慢，同时电感上的压降和功耗增大。
本文在逆变器输出端串小电感并辅以RC吸收网络，可有效抑制PWM逆变器驱动下出现的轴电流。
2 共模电压与轴电压一般认为，磁路不均衡、单极效应和电容电流是电机中产生轴电压的主要原因[3]。
在电网供电的普通电机中，人们一般比较重视磁路不平衡的影响。
但在逆变器供电的电机中轴电压主要由电压不平衡，即电源电压的零序分量产生。
由于电路、元器件、连接和回路阻抗的不平衡，电源电压将不可避免地产生零点漂移，该电压将在系统中产生零序电流，轴承则是电机零序回路的一部分。
正弦波电源驱动时，通过计算可知 =0。
变频电机轴电流分析及对策--
变频电机轴电流分析及对策--变频电机轴电流分析及对策作者：高峰吴亚旗频道：变频电机发布时间：2008-07-01随着交流调速技术发展日新月异，交流变频电机的应用越来越广泛。
但与此同时变频电机轴电流导致轴承异常损坏的问题也日益突现。
宝钢分公司在实际生产过程中也发生了大量变频电机轴承异常损坏的问题。
这些情况的发生，直接导致设备故障，造成巨大损失。
1 变频电机轴电流产生原因及危害电动机运行时，转轴两端之间或轴与轴承之间产生的电位差叫做轴电压，若轴两端通过电机机座等构成回路，则轴电压形成了轴电流。
轴电压是伴随着旋转电机的产生就存在的。
一般工频电机轴电压产生的原因主要是磁路不平衡、单极效应、静电感应、电容电流等原因造成，但这些原因归根到底还是磁通脉动造成的。
且在正弦波(工频)供电的情况下，如果设计和运行条件正常的电机，转轴两端电位差很小，其危害尚不严重。
目前，广泛应用的变频电机大都采用PwM变频电源供电，这时电机的轴电压主要是由于电源三相输出电压的矢量和不为零的零序分量产生。
变频器PwM脉宽调制导致调速驱动系统中高频谐波成份增多，这些谐波分量在转轴、定子绕组和电缆等部分产生电磁感应，电机内分布电容的电压祸合作用构成系统共模回路，这种共模电压以高频振荡并与转子容性藕合，产生转轴对地的脉冲电压，该电压将在系统中产生零序电流，电机轴承则是这零序回路的一部分。
变频电机系统零序电流示意图见图1轴电流是轴电压通过电机轴、轴承、定子机座或辅助装置构成闭合回路产生的。
在正常情况下，电动机的轴电压较低，轴承内的润滑汕膜能起到绝缘作用，不会产生轴电流。
但当轴电压较高，或电机起动瞬间油膜未稳定形成时，轴电压将使润滑油膜放电击穿形成回路产生轴电流。
轴电流局部放电能量释放产生的高温，可以融化轴承内圈、外圈或滚珠上许多微小区域，并形成凹槽，从而产生噪声、振动，若不能及时发现处理将导致轴承失效，对生产带来极大影响。
变频调速系统中高频轴电流对轴承的电蚀最显著的特征是在电机轴承内外圈、滚珠上产生“搓衣板”式密密的凹槽条纹。
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收稿日期:2002-11-20于晓东 男 1974年生;毕业于佳木斯大学工学院电气工程系电气技术专业,现从事电气技术工作.变频电机轴电流的防止于晓东1李振宇2李积继31佳木斯合成实业有限责任公司,黑龙江佳木斯(154007)2东芝大连有限公司,辽宁大连(116600)摘 要 阐述采用逆变器供电的变频电机,因电源存在许多高压脉冲,高频谐波增多,以及电动机铁心磁路不平衡等,在电机绕组和转轴上产生感应电压。
为减少轴电流的危害,除电机制造需满足磁路平衡外,提出加装电源滤波器,前后轴承都要绝缘处理等防止变频电动机轴电流危害的措施。
关键词 变频电动机 轴电流 防止Prevention of Bearing C urrent in Variable Frequency MotorY u Xiaodong ,Li Zhenyu ,and Li Jiji Abstract The paper discusses that,for the variablei frequency motor fed from the inverter,inducted voltage appears at the winding and shaft because the power supply has many high voltage pulses,the high frequency harmonic increas es,and the magnetic circuit of motor core is not balance.To decrease the harm caused by bearing current,some measures,such as mounting the power filter and insulating the front and rear bearings are presented,in addition that the magnetic circuit is required to be balance in manufacturing the motor.Key words Variable frequency motor,bearing current,prevention.1 引言通常在大型电机中特别是采用扇形冲片迭制铁心的电机,如果磁场不对称等易产生轴电流。
近年来采用变频调速驱动装置的小电机也出现不容忽视的轴电流,导致小电机的轴承过早损坏,直接影响和降低了电动机运行的可靠寿命,引起电机用户和电机制造厂商的关注。
2 轴电流的危害变频电机轴端安装的辅助装置如测速计、编码器等,易与两轴承或两轴承之一构成轴电流回路(见图1轴电流数学模型图)。
该轴电流对电机轴承造成破坏,对测速计、编码器等辅助装置的安全构成威胁。
图1 轴电流数学模型在电机正常运转情况下,轴承内形成一层润滑油膜,能起一定的绝缘作用,即使电机运转出现较低的轴电压,也不会产生轴电流。
但是当轴电18防爆电机 (E XPLOSION-PROOF ELEC TRIC MAC HINE) 2003年第2期(总第115期)2003年6月30日出版压高到一定数值时,将会击穿油膜而放电。
尤其是在电动机启动时,轴承内的润滑油膜还未稳定建立,瞬即产生的轴电压将击穿油膜的薄弱部位放电,形成轴电流。
当放电部位的金属接触点很小时(特别是滚珠轴承),则流经这些点的电流密度就会很大,在瞬间产生高温,使轴承局部烧伤,在滚珠或滚道上烧出小凹坑。
如果长期有轴电流,小凹坑麻点就会增多,滚动轴承的滚道上甚至出现凹槽,或灼伤滑动轴承的轴颈和轴瓦甚至轴承完全损坏,从而产生噪声、振动或停机。
爆炸性危险环境运转的电机,过大的轴电流产生的过热或火花,将可能引发爆炸等恶性事故。
电动机所容许的轴电压、轴电流的大小与轴承类型、运行状态、润滑油质、转速、安装质量、现场运行环境和轴电流流经路径的阻抗等许多因素有关。
几乎所有的电机运转时或多或少都会产生轴电压,一般来说,若轴两端产生的轴电压达到500m V,就容易产生有害的轴电流,美国NEMA MGI标准规定,按IEEE112标准进行试验,如果轴电压峰值大于300mV时即需采取绝缘措施。
轴电流的大小对滑动轴承和滚动轴承的影响略有不同,对滑动轴承而言,若轴电流小于10A,基本无烧蚀,轴电流值达10~40A,则只能维持运转3000~12000h,若轴电流高达100A以上就非常危险,可能数小时内将会烧毁。
对滚动轴承而言,由于滚珠(滚柱)与轴承内外圈滚道的接触面积小,对轴电流的敏感比滑动轴承更大,轴电流给滚动轴承造成的损伤及破坏更厉害。
当轴电流大于2A时,几小时内即可能损伤;若轴电流达1~1 4A,轴承只能继续运转200~700h;轴电流只有低于1A时,一般滚动轴承才能无大伤害的运行。
3 变频电动机轴电压、轴电流的产生(1)变频电动机是由逆变器提供电源,逆变器部分多采用脉宽调制技术(PW M),电压波形存在许多高压脉冲,致使调速驱动系统中高频谐波成分增多,这些谐波分量在转轴、定子绕组和接线部分等产生电磁感应,绕组中点电位可能远离接地点,这种共模电压以高频振荡并与转子容性耦合,产生转轴对地的脉冲电压,峰值可达10~40V[2]。
(2)电动机的铁心磁路不平衡,如整圆定子冲片各向厚度不均匀,使定位迭压后整个定子铁心累计厚度出现一边厚、一边薄或一边松、一边紧,造成定子铁心圆周磁路不对称,采用扇形冲片以及铁心槽、通风槽不适当等也会造成磁路不对称,当不对称的磁场切割电机转轴时,就在轴两端感应出轴电压。
(3)电动机运行现场如果电机周围有较多的高压设备,那么在这些强磁作用下,电动机转轴两端也会感应出轴电压。
(4)外部电源的介入。
由于电动机运行现场接线一般比较繁杂,如电机的保护和监控检测元件,辅助装置的测速计、编码器、冷却风机等,任何一根带电导线塔接到转轴上都可能造成轴电压的产生。
有轴电压的电机转轴,一旦与电动机壳体,如轴承润滑油膜被击穿和测速计、编码器等辅助装置或联轴装置等构成回路(见轴电流数学模型图)就产生具有破坏性的轴电流。
4 变频电机轴电流的防止4 1 抑制电源谐波采用逆变器供电的调速系统加装滤波器或配套的变频调速装置加设共模滤波电路,提供高质量的正弦波电源,以降低谐波、减少轴电流、噪声、振动和电机温升,延长轴承、绕组和电机的寿命,确保电机轴承和测速计、编码器等辅助装置的安全。
4 2 两端轴承都采取绝缘措施如果变频电机轴头安装有如测速计、编码器等辅助装置时,不但电动机非传动端轴承需采取绝缘措施,传动端也需进行绝缘,以切断轴电流通过传动端轴承构成回路(见图1)。
采用滚动轴承结构的轴承应选用绝缘轴承,也可在轴承内圈内表面和端面用等离子喷涂法均匀喷涂50~100 m高性能绝缘层,也可在轴承外圈外表面和两端面上喷涂绝缘层,但外圈的绝缘层在拆装端盖时易受划伤,从而丧失绝缘能力。
也可在端盖轴承室加套,套与端盖间夹垫绝缘层,紧固内外盖的螺栓加绝缘套管和绝缘垫等,这种结构和工艺都相对复杂。
采用滑动轴承的结构,采用传统方法是在固192003年第2期(总第115期)2003年6月30日出版(EXPLOSI ON-PROOF E LEC TRIC MAC HI NE) 防爆电机定轴承部位加垫环氧玻璃布板等。
进出油的管道加绝缘管接头[1]。
4 3 电机设计和制造采取的措施(1)采用滚动轴承结构的电机转轴的前后轴承台及其轴肩采取绝缘措施,如等离子均匀喷涂50~100 m 厚的高性能耐热陶瓷绝缘层。
(2)电机设计和制造方面力求电机磁路要达到基本平衡,如整圆冲片的铁心迭制可将各向厚薄不均的冲片转120 迭制。
采用扇形冲片时,按电机的极数p 、每一圆周的张数t 、循环交错迭片的循环层数n ,需满足q =ntp =偶数或分子为偶数的最高单分数[1]。
4 4 连轴采取绝缘措施为了提高辅助装置的安全度,切断电动机的轴与负载机械、连轴辅助装置如测速计、编码器之间形成轴电流的通路(见图1),还必须采取一些特殊措施,如直接联接在电动机轴上的连轴宜加以绝缘等。
4 5 监测线路加强绝缘为了避免变频电动机各监测装置和辅助装置的导线绝缘破损造成的轴电流,现场运行及维修人员需经常细致检查并加强其绝缘,以消除不应有的轴电流隐患。
4 6 改善电机运行环境电动机运行现场应与高压强电场设备保持适当距离,避免在电动机旁边进行不适当的接地电弧焊,消除在生产过程中产生的静电,减少对电机磁平衡的干扰。
4 7 运行辅助措施现场运行的电动机,若出现较大的破坏性轴电流或周围环境潮湿的中大型电动机,如上述各绝缘措施因故不便实施或达不到要求时,可在电动机两端轴承的内侧加装接地电刷[1],将轴电流导入地中,避免电动机轴承烧坏,保护辅助装置和监测装置的安全。
5 结束语一般根据变频电动机电源供电的品质、电机大小、轴承类型、联轴装置、监测装置和电机运行环境以及变频电动机的轴电压大小等具体情况分别采用以上措施就可以减少轴电流的危害,延长轴承的运转寿命,提高变频电动机运行的可靠性。
参考文献[1] 陈世坤 电机设计.北京:机械工业出版社,1992 10[2] 梁庆信译自 PT design ! 感应轴承电流 中小型电机 2002 3(上接第13页)3 3 结构设计因为内反馈串级调速电机有着调速节能的优点,正不断地被广大用户采纳,它的结构和标准的绕线型异步电机大体是一致的,只是定子多了一套三相对称绕组如图5,电机采用标准机座,采用外滑环(集电环在机座的外侧)。
另一个设计重点是调节绕组和主绕组的固定,既要绑端箍,还要考虑接线。
调节绕组和主绕组的接线方向相反,因为两线圈高度的不同,主绕端箍支承必须做成一个L 形,给调节绕组接线让出一定的接线空间,当下线时,先将调节绕组端固定,然后将调节绕组的接线端放在电机的后端,试下时将主绕组也下入定子槽内,找出空间差,决定槽底垫几个厚的玻璃布板,最后等调节绕组接完线后,再下入主绕组。
4 结论内反馈串级调速具有结构简单、效率高、节能等优点,调速范围也较宽(1 5~2 5∀1),电动机的容量愈大,节能效果愈明显。
参考文献[1] 汤蕴 ,史乃等 电机学 西安:西安交通大学出版社,1995[2] 陈伯时,陈敏逊 交流调速系统 北京:机械工业出版社,2001[3] 黄俊,王兆安 电力电子变流技术 北京:机械工业出版社,1993.[4] 杜坤梅 电机控制技术 哈尔滨理工大学出版社,199620防爆电机 (E XPLOSION-PROOF ELEC TRIC MAC HINE) 2003年第2期(总第115期)2003年6月30日出版。