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摘要：阐述了PWM变频驱动电机轴电压产生原因，直流电机轴电蚀的形成机理。同时搭建了轴电压和轴电流的检测平台，并提出放电率指标完善轴电蚀评价体系。
关键词：直流电机；轴电蚀；轴电流；放电率；评价体系
1 引言
直流电机轴电蚀是由于PWM变频器产生的高频共模电压在电机转轴上感应出高的轴电压，并形成轴电流，电机轴承油脂绝缘膜击穿放电，并在轴承的沟道留下搓衣板状痕迹。而且随着IGBT等高性能器件的大规模使用，直流电机轴电蚀问题也将受到大家的广泛关注。
2轴电蚀产生机理
变频电机采用PWM变频电源供电，通过控制芯片发出PWM脉冲，驱动逆变器开关管导通、断开，使得逆变器输出一系列等高不等宽的电压脉冲，等效代替正弦波电压，从而达到调频调速目的[1]。等效电路如下图所示。
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图1 PWM变频器驱动电机等效电路
其中
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分别表示逆变器输出的U、V、W三相对地电压，
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分别表示逆变器输出端经电机U、V、W三相绕组瞬时值，R、L为电机绕组每相等效电阻和漏电感。N为电机三相星行绕组的星行交点，
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为三相绕组的星行点对地电压，即共模电压。
由于PWM逆变器供电，即脉冲宽度调制方式时，逆变器6个IGBT按照一定的规律开通、断开，变频器输出一系列等幅不等宽的脉冲等效正弦交流电。为了防止桥臂贯穿，同一桥臂上下管不会同时导通。此时
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，因此
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任意时刻都不等于零。在电机内部寄生电容耦合作用[2-3]，在转子上感应出电压。电机中存在以下几类耦合电容，
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为电机绕组和端盖之间的电容，
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为绕组和定子铁芯之间的电容，
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为定子铁性和磁瓦之间的电容，
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为绕组和磁瓦之间电容，
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为磁瓦和转子铁芯之间电容，
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为轴承等效电容。电机内部简易共模等效电路图如下图所示。
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图2 电机内部简易共模等效电路图
在大多数工况下（低频），寄生电容的存在影响不大。而逆变器的载波频率为几KHZ到几十KHZ。逆变器开关管的快速通断导致共模电压的快速变化，电压的快速变化产生了高频电流，高频电流流过寄生电容，产生轴电流[4]。轴电流一般有三种：金属接触流通电流、容性轴电流、油膜击穿放电电流。一般来说，金属接触流通电流和容性轴电流幅值较小，对引起轴电蚀的可能性较低。而轴承电容充电电压超过润滑油膜击穿电压阈值时，油膜击穿，产生放电现象，放电时伴随很强的热效应从而造成电腐蚀损伤轴承滚珠和沟道。
目前关于轴电蚀行业内普遍的评价方式为轴承电压的大小，认为轴电压数值越高，产生轴承电蚀的风险越大。然而仅用轴电压评价轴承耐电蚀能力会出现偏差，例如绝缘滚珠轴承的轴电压远大于常见的金属滚珠轴承的轴电压，而绝缘滚珠轴承的耐电蚀能力远大于金属滚珠轴承的耐电蚀能力。
针对轴电压评价的缺陷，行业内也开发了几种轴电流测试评价方法。J.Kalaiselvi和S.Srinivas[5]提出了一种采用附加轴承的方法来检测轴电流和轴电压。该方法通过外加两个轴承，可以对高频循环轴电流和轴电压进行测量。但是由于这两个附加轴承不施加任何机械负荷，只为了测量目的，所以无法完全模拟电机内部实际运行状况。A Muetze和J Tamminen[6]提出一种在规定的时间下计算脉冲源放电数和接收数来进行无损探测轴承电流的方法。这种方法优点在于不用对电机进行改造，可直接对工作的电机进行测量。缺点是只能对电机的放电次数进行测量，并不能测量放电现象的电流值大小。王广斌[7]等提出了一种模拟电机轴电流产生装置，这种方法优点在于可以明显的采集出油膜击穿时产生的放电电流。缺点是轴承和轴承座加工凹槽相对困难，样品制作复杂，不具有大面积推广性。
轴电蚀是由于轴承油膜击穿放电导致沟道损伤，因此轴电流的测量在轴电流的研究中占重要地位。鉴于当前轴电流测试方法的不足和评价指标单一，寻求一种便捷可靠的轴电压、轴电流测试方案与轴电蚀评价方案是行业内的诉求。为此，我们搭建了一种简易的测试轴电流的平台，同时提出放电率评价指标。
3测试平台搭建
3.1 轴电流路径
由轴电流产生机理可知，当轴电压超过润滑油膜击穿电压阈值时，油脂击穿，电流流过，最终以定子绕组→端盖→轴承→间隙→转子→磁瓦→气隙→定子铁芯这一条路径在电机内部进行循环流动。
为了测试流经轴承内部轴电流大小，对电机做如下处理：在轴承外圈和轴承室之间放入一层厚度适宜的绝缘胶布；利用一根短导线作为桥梁替代原来路径让轴承电流流过；采用高频电流探头探测导线的电流，即为我们所需要监控的轴电流。
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(a)轴承放电路径 (b)轴电流测试路径
图3 电机轴电流循环路径图
3.2测试方法建立
测试方法：
1.电机单体水平放置在绝缘物体上，排除周边导体及噪音源，去除轴端防锈油，保证接触良好；
2.电机轴和端盖与差分探头的连接线使用0.3～0.5mm2多股引线，轴端为环状导电线圈套在输出轴上，端盖一侧的连接线前端剥去绝缘皮并固定，保证引线和端盖接触良好，另一端引线端采用差分探头相连，用于测试轴电压；
3.电流探头穿过轴承和端盖连接的桥路导线，用于探测轴承电流；
4.按规定的测量条件驱动电机运行，待电机稳定运行后测试轴电压和轴电流大小。
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图4电机轴电压、轴电流测试平台
3.3结果输出
对所观测的PWM波形一个周期内最大振幅（P-P值）进行测量，作为轴电压，参照图5所示；
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图5轴电压波形示意图
电流是放电后在回路中的轴承内外圈流通，因此取轴电流波形上O-P值作为轴承放电电流，参照图6所示。
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图6 轴电流波形示意图
PWM变频驱动电机在寄生电容和高频共模电压下产生轴电压，当轴电压上升时，轴承电容和其他寄生电容充电。当充电电压超过润滑油膜击穿电压阈值时，油膜击穿通过电流。此时可以看到轴电压急剧下降，由于充放电原因，波形震荡后紧贴0V。同样，由于轴承击穿，轴电流由无到有，波形急剧上升，波形震荡后紧贴0mA，为一下次击穿储能做准备。通过对监测到轴电流波形放大（见下图7）。由此可知，搭建的测试测试平台可以有效测试出电机轴电压，油膜击穿放电时流经轴承轴电流。
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图7 放电状态轴电压、轴电流波形示意图
4轴电蚀评价体系建立
当前行业内普遍用轴电压来评判对轴电蚀影响大小。但是，实际使用中发现，陶瓷轴承轴电压非常高，但从未出现过轴电蚀现象；反而是轴电压比陶瓷轴承低的出现轴电蚀噪音现象较多。由此可见，单一以轴电压作为轴电蚀影响评价指标并不完全正确。鉴于此，本文提出加入轴电流和放电率完善轴电蚀风险评价指标。实际测试中，通过示波器对轴承击穿放电现象进行监测。在一定时间内，每次捕捉到的击穿放电次数与该段时间内可能发生的击穿放电次数的比值，称之为放电率。本文所指的放电率是指放电率测量值，实际放电率可能会因为测试设备、周围环境及取样差异等受到影响。
令：
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：为监测时间（
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）；
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：为
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时间内放电次数；
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：为
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时间内理论下可能发生放电次数；
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：为放电率；
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：为载波频率（
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）
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由上两式综合可得：
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基于轴电压、轴电流、放电率评价指标，针对三种不同状态（陶瓷轴承、双导通、普通型）样品进行对比测试，测试结果如下表1
表1不同状态样品（陶瓷轴承、双导通、量产品）轴电流和放电率对比
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注：本次试验电机转速为1000RPM
由上述试验结果可知：陶瓷轴承轴电压高，但是放电率为0。双导通方案后轴电压降低到1~2V，轴电压小于油膜击穿电压阈值，放电率也为0，未监测到放电现象。普通品轴电压高，油膜有击穿，监测到放电现象，放电电流和放电率非常高。由实验结果可知，轴电流和放电率越高，放电越明显，引发轴电蚀更加明显。实际测试结果符合理论，所以引入轴电流和放电率一评价指标可以有效、正确评估对轴电蚀风险。
5结语
目前对于轴电流的测试还在摸索阶段，业内基本都是通过轴电压来评价对轴电蚀影响。本文通过分析轴承电蚀产生的机理，针对当前轴电压、轴电流测试各种方法的对比，分析各种方案的优劣，搭建一个简便、快速、准确测试轴承轴电压和轴电流的平台。同时，提出放电率一评价轴电蚀影响的指标。使轴电蚀评价体系更加完善、准确。
参考文献
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[4]周文,唐建惠,康丽华. 轴电流引起的电机轴承烧损事故分析[J].防爆电机,2010,45(1):34-35
[5]J.Kalaiselvi,S.Srinivas. Bearing current profiles in a 3-phase VSI fed induction motor drive using a simplified measurement approach[J].IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES),2012,6:1-6
[6]A. Muetze,J.Tamminen, and J. Ahola. Influence of Motor Operating Parameters on Discharge Bearing Current Activity[J].IEEE Trans. IA, 2011, 47(4):1767-1777 .
[7]王广斌,孟宪文等.一种模拟电机轴承轴电流产生装置:中国, 201620092740.7[OL]. 2016-07-06