电动机轴电流的探讨与改进措施

电动机轴电流的探讨与改进措施

裴嘉雯 胡晓明 张梁

中车永济电机有限公司 山西 永济 044502

摘要：本文通过生产现场电动机产生轴电流情况的实例，分析电动机产生轴电流现象的条件及原因，阐述轴电流对电动机运行的危害，介绍检测轴电流的方法和消除轴电流的解决措施。

关键词：电动机 电位差 轴电流

0 引言

我公司在修理一台矿用钻机高压电动机的过程中，通过入厂试验检测发现电动机在短时内轴承温升迅速上升至50K，且伴随着电机震动值超差现象。随即对电机解体，发现轴承滚道存在不同程度的搓板式损伤并在其润滑脂中发现细小的金属颗粒。

1 电机轴承烧损原因分析

观察轴承滚道的搓板式带状坑道可判断该电机转子运行过程中存在较大的电压，在此电压下电机产生严重的轴电流，轴电流流经滚道与滚动体的接触面时产生放电火花使局部金属材料熔化，熔化物被高速旋转的内圈和滚动体碾压形成搓板纹。

随着滚动轴承的发展，现在越来越多的中大型电机在设计时也都多采用滚动轴承。正常情况下，转轴与轴承间存在一道润滑油膜，该油膜有着绝缘的作用，对于低压电机而言，润滑油膜仍有保护绝缘的性能。但是，当轴电压增加到一定数值（特别是高压电动机启动时，当轴承内的润滑油膜尚未稳定形成）轴电压将击穿油膜而放电。轴电流由转轴经轴承放电，因其接触面积小，在瞬间产生高温，使轴承局部烧熔，产生细小的金属粉末，经长时间运转磨耗，使轴承内外滚道形成带状坑道。因此，对中大型电机而言，在设计阶段就应重视电动机的轴电流危害。

2 产生轴电流的原因分析

按照产生的原因，轴电流可以分为以下几种：

2.1磁通不对称产生的轴电流

交流异步电动机在正弦交变的电压下进行工作，其转子处于正弦交变的磁场中。此类原因一般包括：（1）加工精度差、转子自身挠度等原因导致的同心度不够；（2）定转子铁心硅钢片磁导率不均匀、扇形片分度及拼接不合理、铁心叠压质量差；（3）铁心键槽、散热通风孔；（4）绕组及端部不均匀；（5）电机机械结构自身不对称等一系列原因在磁路中造成不平衡的磁阻。

当电动机的定子铁心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。

2.2变频器供电产生的轴电流

电机采用变频器驱动时，变频器输出的共模电压会施加在电机绕组和地之间，而电机内部存在寄生电容，共模电压在电容耦合作用下，在电机轴承内外圈产生高频轴电压。轴电压高于轴承电容的阈值电压时轴承的润滑油膜会被击穿发生放电，进而产生轴电流。

2.3静电感应

电机转子在高速运转时与空气发生摩擦产生静电荷，正常情况下转子与机做之间被两端轴承的油膜绝缘，使得转子上的静电荷无法释放，逐步积累形成轴电压，这种轴电压属于轴和接地外壳之间的直流电压。静电荷产生的轴电压是间歇的，并且是非周期性的，其大小与运转状态、流体的状态等因素关系较大。一般情况下轴电压只有0.5~2V左右，但因电流回路阻抗很小，所以将有很大轴电流产生，对电机轴承危害很大。

3 轴电流的抑制措施

抑制轴电流主要按其形成条件分为两种：1）破坏轴电流在轴承内圈与轴承外圈、轴承室、机座间的回路，使其无法形成；2）消除轴承内外圈之间的电位差。

上述的两个条件只要有一个不具备就无法产生轴电流，因此轴电流的抑制措施便从以上两个因素下手。

3.1阻断闭合回路

破坏形成轴电流的第一个条件，通常的抑制措施有以下几种：

3.1.1轴承绝缘

转轴绝缘是目前最常见的一种抑制轴电流的措施。主要采用：1）轴承外圈附加绝缘层；2）轴承内圈附加绝缘层；3）采用陶瓷滚珠轴承等三种方式。

值得注意的是，当测量轴承绝缘电阻时，一般选用250V规格的绝缘电阻表，将仪表的E端与转轴连接，轴承的绝缘部分用铝箔覆盖且用裸铜线绑扎固定，再与仪表L端连接进行测定。或可将绝缘轴承安装至电机端盖轴承室中，在电机端盖与安装绝缘轴承的转轴没有通电的通路状态下，测量转轴与电机端盖之间的绝缘电阻。

3.1.2端盖绝缘

绝缘端盖的抑制原理实质与绝缘轴承的抑制原理一致。一般在端盖与轴承室之间加一层绝缘，使轴承室与端盖绝缘，从而达到抑制轴电流的目的。

通常结构有两种，一种是在轴承室外圆增加一层无纬带（或复合绝缘材料热压成型），通过螺栓连接将轴承室安装至端盖；一种是在轴承室上喷涂绝缘涂层，在加工后通过过盈配合热套的方式，将轴承室热套至端盖。

3.2消除轴承内外圈之间的电位差

消除轴承内外圈之间的电位差即是轴电流形成的第二个条件，通常采用的是在转轴轴伸位置安装接地电刷。

通过在非驱动端增加接地装置，使电刷在转轴上充分磨合达到转轴与机壳接地，引导轴电流流向机壳，以此消除轴电流。

4 几种轴电流抑制措施的优缺点

5 解决方案

对于修理电机，我们的维修原则是不对其外观结构改动且方便用户的维修保养。因此经过分析评审，决定从驱动端端盖着手。将驱动端端盖车大10-15mm，重新制作一个绝缘轴承室，在新制作的轴承室外径喷涂绝缘涂层，通过过盈配合热套的方式安装至端盖，最后在对轴承室精加工，保证端盖止口与轴承室同轴。

通过对该电机端盖的改造，有效的消除了该电机的轴电流问题，得到用户的肯定，至今运行良好。

6 总结

交流电机大多采用变频器驱动，变频器提供的交流电含有许多高频成分，随着电机功率的增大，高频成分会在转轴中产生相当大的轴电流，从而损坏轴承，因此电机采用防轴电流装置是很有必要的。抑制轴电流的方法较多，在应用过程中，要结合电机结构选择合适的抑制方法，只有合理选择绝缘结构，才能达到电机理想的运行效果。

参考文献

1. 沈标正.电机故障诊断技术.机械工业出版社，2001

2. 王鑫.电机轴电流的分析.电机技术，2005（1）：30～32