电机轴承电腐蚀如何预防？
2024-11-13
由于轴电压的存在，轴承外圈和内圈是存在电势差，这就导致轴电流存在。由于轴电流是造成轴承电腐蚀的关键因素，因此如何控制轴电流就是预防轴承电腐蚀的关键，下面介绍一些预防轴承电腐蚀的方法，大致归为“消除电势差”，“轴承绝缘”，“减小共模电流”。
01 消除电势差
消除电势差主要目的是让轴的电势与端盖的电势一样，这样轴承内外圈的电势一样，理论上也就不存在轴电流(实际上还是会有，因为轴与端盖不可能做到0阻抗)，下面列举几个以该方式预防轴承电腐蚀的案例。
下图为特斯拉预防轴承电腐蚀专利，目的就是消除轴与端盖的电势差，目前大多数方案都是按照这个变形而来，主体是由一个导电滑环（阻抗较低），导电弹片组成。其中滑环外圈随着轴转动，内圈不动，通过导电弹片使得轴的电势与端盖相同，减小轴电流（由于导电滑环还是有阻抗的，因此电势不是完全相同）。
图1 特斯拉方案
由这种方案延伸而来的有长安的方案和华为的方案，如下图为长安预防轴承电腐蚀方案，装置与原理与特斯拉相似，不同是特斯拉安装在轴内，长安安装在轴外侧，其中7为导电轴承（外圈不动，内圈动），8为类似特斯拉的导电片。
图2 长安方案
华为的方案如下，与特斯拉相似，都是轴内部集成导电滑环，不同点就是将导电片换成有导电柱与导电片的的组合，这种方案较特斯拉相比接触面积变大了，阻抗相比特斯拉较小，应该效果更好（可惜没看到实物）。
图3 华为方案
当然最近看到了一个有意思的方案，这个方案用导电油封代替滑环+导电片的组合。如下图，4为导电油封，4.2是导电部分，4.2.2是油封与轴接触的部位，4.2.1是油封与端盖接触的部位。这个方案原理与之前相似，但是因为轴与油封相对运动，导致阻抗比前几种高，能减少的轴电流还是有限，且耐久性还有待考验。
图4 导电油封方案
那有个问题，如果直接把主轴轴承换成导电轴承，不也可以实现将轴与端盖"导通"，实现消除电势差。理想是丰满的，实际中即使导电轴承是存在较大阻抗的，导电轴承的方案轴电压是有下降，但是下降幅度远远不及上述方案，因此在800V平台只上导电轴承恐怕是远远不够的。有的设计方案考虑只用电刷，如下图，导电环放置在端盖处，电刷与轴接触末端接触。
图5 电刷方案
该方法也是旨在导通轴与端盖，与上面只有导电轴承对比，其效果还是很明显有较大的提升，但是该方案稳定性还有待考验，作者测了做过几轮PTCE的样机，轴电压还是有着明显的上升（20个cycle后，轴电压大概从5V左右升到10V）。
图6 电刷与导电轴承轴电压对比
以上方法原理总结下来就是：轴与端盖导通，且导通的阻抗要竟可能低，上述方案效果华为，特斯拉，长安，电刷的方案都比较不错，其中华为方案是我觉得最好的，但是成本来讲华为成本就比特斯拉和长安高出不少，这也应该是华为没上这个方案原因之一吧。
02 轴承绝缘
除了消除电势差，在电机中使轴承“绝缘”，可以中断或减少轴承电流。下图所示为不同的轴承绝缘，从左到右依次为陶瓷球轴承、端盖轴承座绝缘。
图7 轴承绝缘方案
如果考虑用陶瓷球轴承，那么就不存在电腐蚀了，但是这个成本比普通球轴承要贵上6~10倍左右（批产价格，样件更贵），一台电机配2个，这种成本提升是巨大的。如果考虑轴承座绝缘，要考虑以下几点：
绝缘轴承座与端盖本身的安装配合：一般绝缘轴承座是陶瓷材料，属于脆性材料，这就导致与端盖配合上需要考虑好过盈尺寸，过小则无法承受大扭矩，过大则轴承座在安装过程中容易裂开。
绝缘轴承座与轴承的导热问题：由于材料不同，轴承与绝缘座的热膨胀系数不一样(一般钢材比陶瓷热膨胀系数高)，在电机运行时轴承与轴承座的过盈量会发生变化，如果超过临界则会导致失效。
因此计算好过盈量是轴承座绝缘的重要一环。减小共模电流以上两种是针对电机的改进，如果降低轴电压也可以考虑降低逆变器的共模电压。这种电压可以用共模滤波器来降低，磁环是一种典型的共模滤波器，如果在逆变器三相输出端加上共模滤波器，则三相输出的母排中流动的共模电流会在磁环中产生一个磁场，该磁场可阻止共模电流的变化。设计参数就是电感和电容值。
图8 共模滤波器
目前该方案目前成本比较高（目前逆变器直流输入端会有滤波器，成本大概100-200左右），并且比较占空间。不过是个很不错方案，而且对比测试也很好做。
可以看到作者在大篇幅的描述消除电势差的方案，因为作者认为该方案的效果+成本是最优的选择，当然方案可能不止这些，但是思路总是一样的。
内容来源自【RIO电驱动】公众号
（版权归原作者或机构所有）
