電機軸承電腐蝕如何預防?

2024-11-13

由于軸電壓的存在,軸承外圈和內圈是存在電勢差,這就導致軸電流存在。由于軸電流是造成軸承電腐蝕的關鍵因素,因此如何控制軸電流就是預防軸承電腐蝕的關鍵,下面介紹一些預防軸承電腐蝕的方法,大致歸為“消除電勢差”,“軸承絕緣”,“減小共模電流”。

01 消除電勢差

消除電勢差主要目的是讓軸的電勢與端蓋的電勢一樣,這樣軸承內外圈的電勢一樣,理論上也就不存在軸電流(實際上還是會有,因為軸與端蓋不可能做到0阻抗),下面列舉幾個以該方式預防軸承電腐蝕的案例。

下圖為特斯拉預防軸承電腐蝕專利,目的就是消除軸與端蓋的電勢差,目前大多數(shù)方案都是按照這個變形而來,主體是由一個導電滑環(huán)(阻抗較低),導電彈片組成。其中滑環(huán)外圈隨著軸轉動,內圈不動,通過導電彈片使得軸的電勢與端蓋相同,減小軸電流(由于導電滑環(huán)還是有阻抗的,因此電勢不是完全相同)。

圖1 特斯拉方案

由這種方案延伸而來的有長安的方案和華為的方案,如下圖為長安預防軸承電腐蝕方案,裝置與原理與特斯拉相似,不同是特斯拉安裝在軸內,長安安裝在軸外側,其中7為導電軸承(外圈不動,內圈動),8為類似特斯拉的導電片。

圖2 長安方案

華為的方案如下,與特斯拉相似,都是軸內部集成導電滑環(huán),不同點就是將導電片換成有導電柱與導電片的的組合,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,應該效果更好(可惜沒看到實物)。

圖3 華為方案

當然最近看到了一個有意思的方案,這個方案用導電油封代替滑環(huán)+導電片的組合。如下圖,4為導電油封,4.2是導電部分,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。這個方案原理與之前相似,但是因為軸與油封相對運動,導致阻抗比前幾種高,能減少的軸電流還是有限,且耐久性還有待考驗。

圖4 導電油封方案

那有個問題,如果直接把主軸軸承換成導電軸承,不也可以實現(xiàn)將軸與端蓋"導通",實現(xiàn)消除電勢差。理想是豐滿的,實際中即使導電軸承是存在較大阻抗的,導電軸承的方案軸電壓是有下降,但是下降幅度遠遠不及上述方案,因此在800V平臺只上導電軸承恐怕是遠遠不夠的。有的設計方案考慮只用電刷,如下圖,導電環(huán)放置在端蓋處,電刷與軸接觸末端接觸。

圖5 電刷方案

該方法也是旨在導通軸與端蓋,與上面只有導電軸承對比,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,作者測了做過幾輪PTCE的樣機,軸電壓還是有著明顯的上升(20個cycle后,軸電壓大概從5V左右升到10V)。

圖6 電刷與導電軸承軸電壓對比

以上方法原理總結下來就是:軸與端蓋導通,且導通的阻抗要竟可能低,上述方案效果華為,特斯拉,長安,電刷的方案都比較不錯,其中華為方案是我覺得最好的,但是成本來講華為成本就比特斯拉和長安高出不少,這也應該是華為沒上這個方案原因之一吧。

02 軸承絕緣

除了消除電勢差,在電機中使軸承“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,但是這個成本比普通球軸承要貴上6~10倍左右(批產價格,樣件更貴),一臺電機配2個,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:

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,這就導致與端蓋配合上需要考慮好過盈尺寸,過小則無法承受大扭矩,過大則軸承座在安裝過程中容易裂開。

絕緣軸承座與軸承的導熱問題: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),在電機運行時軸承與軸承座的過盈量會發(fā)生變化,如果超過臨界則會導致失效。

因此計算好過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電機的改進,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的共模電流會在磁環(huán)中產生一個磁場,該磁場可阻止共模電流的變化。設計參數(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有濾波器,成本大概100-200左右),并且比較占空間。不過是個很不錯方案,而且對比測試也很好做。

可以看到作者在大篇幅的描述消除電勢差的方案,因為作者認為該方案的效果+成本是最優(yōu)的選擇,當然方案可能不止這些,但是思路總是一樣的。

內容來源自【RIO電驅動】公眾號

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