车用驱动电机轴承电腐蚀的产生及处理措施

强强

01导读随着新能源汽车产业的蓬勃发展，电驱动产品也在不断迭代，各家厂商推出的产品结构类型多种多样，但不管结构如何变化，轴承作为支撑电驱旋转的重要零件，都是必不可少的。而其常出现的电蚀问题，也是工程师们无法回避的。电蚀，全称“电腐蚀”，这个问题其实并不是新能源电驱动产品特有的，早在上世纪，就在采用了变频器驱动的工业电机产品中发现了。本文我们聊聊电机轴承的电蚀问题。 02电蚀的表现关于电机轴承电蚀的表现，本文将依照电蚀发生、发现、分析的过程，分别从运行表现、宏观表现、微观表现三个维度来展开。运行表现：电蚀发生时，电驱运行表现为：温度升高、噪声明显、振动增加，此时如果用专业的振动测试设备、软件进行测量分析，会发现轴承特征阶次的振动幅值明显增加。宏观表现：对电驱产品进行拆解，取下轴承并拆开后会发现油脂发黑碳化迹象、滚动体表面暗沉、不再光亮，严重的时候还会在滚道看到搓衣板状的凹槽，俗称“搓板纹”。 　　微观表现：用扫描电镜对滚动体和滚道表面进行观察会发现许多麻点凹坑，表现为高温熔融状态。 　　以上的表现其实也是电机轴承发生电蚀的危害，对于对振动、噪声不敏感的普通用户来说，发现问题往往已经是轴承寿命后期、甚至是轴承完全损毁，电机扫膛，造成巨大经济损失。 03电蚀的机理轴承发生电蚀的机理是轴承内外圈之间存在一定大小的轴电压，击穿油膜放电，产生电弧，本质就是电火花加工（EDM）。要理解这个机理，就需要进一步探究。首先，看下轴承运行在不同转速的情况下，其内部润滑的状态。 OA段：轴承在未运转或低转速时，油膜没有建立，金属和金属直接接触，此时轴承在电路中表现为阻抗性质。AB段：轴承滚动体和滚道之间处于边界润滑状态，既有金属和金属的直接接触，又有通过油膜隔离的接触。此时轴承在电路中表现为容抗和阻抗的性质。在OA段和AB段，轴承两端的电压是非常小的，并且表现更多的是金属与金属接触的阻抗性质，电流公式为： 该电流数值较小，可以看做是小电流流过金属导体，对轴承不会造成损害。越过B点：电机处于高速运行，轴承内部温度上升，润滑脂中的稠化剂将润滑油释放出来，轴承滚道和滚动体之间被油膜完全分离，中间没有金属和金属的直接接触，处于流体动压润滑状态。此时轴承在电路中表现为容抗的性质。若轴电压较小未达到击穿油膜的电压阈值，轴承的电阻为兆欧级，流过轴承的电流就是电容充放电电流： 一般这个数值很小，也不会对轴承产生损害。若轴电压达到击穿油膜的电压阈值，那么就会在滚动体和内外圈之间发生放电，瞬间产生电火花，温度会非常高，润滑脂燃烧高温碳化，滚动体和滚道表面材料熔化、移失。本质其实就是电火花加工，所以这种轴电流又称“EDM电流”。 综合上述我们了解到，电蚀发生的本质是轴承内外圈之间的轴电压达到击穿油膜的电压阈值，发生EDM放电，对轴承产生损害。那么，这个轴电压是如何产生的呢？ 产生轴电压的几个典型因素 01电磁不平衡驱动电机由于扇形冲片、硅钢片等叠装，铁芯槽、磁钢等不一致以及定转子之间的气息不均匀等因素，导致通过转子铁芯的磁路不平衡，在转子轴周围产生交变磁通，当电机旋转时，由于通过转子轴的磁通发生变化，在轴的两端就会形成感应电压。这种轴电压比较小，一般形成的是低频环路电流。 Tips:电磁感应（Electromagneticinduction）现象是指放在变化磁通量中的导体，会产生电动势。此电动势称为感应电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流。 02电容分压在展开之前，先引入共模电压的概念：共模电压(common modevoltage)：在每一导体和所规定的参照点之间（往往是大地或机架）出现的相量电压的平均值。或者说同时加在电压表两测量端和规定公共端之间的那部分输入电压的三分之一，即(Va+Vb+Vc)/3。对于采用Y型接法的驱动电机来说，共模电压就是中性点对地电压。在工频供电的电机系统中，三相电压波形近乎为正弦波形，频率、相位（相差120°）、幅值是平衡的，在每一时刻中性点对地电压都几乎为零。 而在采用SVPWM波驱动的电机系统中，其正弦波是通过不同宽度的方波等效得来的。此时，三相电在任意时刻的和，即中性点对地电压都不为零。 结论：对于采用SVPWM驱动电机来说，其必定存在一个不为零的共模电压。在电机中，由于定子绕组绝缘漆包线、绝缘纸、定转子气隙的存在，其内部存在诸多寄生电容，如下图所示。 在逆变器采用SVPWM波驱动电机系统中，其模型可简化为下图，其中电机外壳接地。 Cwf：定子绕组和定子铁芯的耦合电容；Cwr：定子绕组和转子的耦合电容；Crf：转子和定子铁芯的耦合电容；Cb：驱动端轴承等效电容；Cnb：非驱动端轴承等效电容；Un：电机定子绕组中性点电压，即共模电压图片；Ub：转轴及轴承内圈对地的电压。轴承对地电压与电机共模电压之间存在约束关系，二者的比值定义为轴承分压比(Bearing Voltage Ratio，BVR)。 ub的大小决定了轴承油膜是否会击穿，以及是否会产生EDM轴电流。 03高频dv/dt产生感应轴电压上文提到定子绕组与定子铁芯之间存在电容，共模电压本身作为交流电，将会通过该电容，并与机壳和大地形成共模电流回路，也称对地电流。该共模电流引起的共模磁通在电机转子轴两端感应出超过轴承油膜阈值电压的轴电压，便会击穿轴承油膜，形成高频环路轴电流。 上文讲到电蚀元凶-轴电压是如何产生的？那么，轴电压是如何测试的呢？轴电流的测试又有哪些难点和要点呢？轴电压、轴电流引起的电蚀问题又有哪些措施可解决呢？ 01测试方案轴电压测试轴电压的测试比较简单，市场上有专门的测试设备，也有电机轴承供应商提供的轴电压测试服务。基本思路是：一端利用碳刷与电机轴接触，另一端用导线与电机底座连接。那么测得的电压就是轴承两端的轴电压，电机运行过程中轴电压的数据显示在数采仪或示波器上。 轴电流测试由于电机轴承安装在电驱动总成的内部，正常运行时，其处于一封闭空间，目前尚无法直接测量轴电流。为了测量通过轴承的电流，需对电机结构进行改造，构建轴承电流的流通路径，测量该路径的电流，即为通过该轴承的轴电流。一种可行方案如下图所示： 其中，关键是将轴承外圈与电机总成壳体绝缘，壳体接地，分别通过电流钳测量流过电机前后轴承的电流。在实际测试前，需在电机底架与被驱动设备之间进行绝缘处理，隔离对测试的干扰，如在传动轴与被测设备连接的法兰处进行绝缘隔离。 测试工况关于测试工况，建议从起步加速、最高转速和耐久循环多速度工况几个方面入手，进行工况设计。另外，需要着重考虑轴承温度和转速对油膜厚度和介电强度的影响，不同的油膜厚度和介电强度，击穿电压有所区别。以下是某款油脂在不同转速、温度下的油膜厚度和介电强度变化曲线。 相同转速1500rpm：1.在温度20℃时，油膜厚度为：1.4μm，介电强度为：14.5kV/mm，击穿电压则为：20.3V。2.在温度60℃时，油膜厚度为：0.24μm，介电强度为：62kV/mm，击穿电压则为：14.88V。另外，从图中也可以看出，对于该款油脂，若轴电压小于3V，则油膜不会发生击穿。不同的油脂，不同的使用环境、运行工况，击穿电压阈值都会有所变化，这个需要在电驱系统产品设计的时候综合考虑。 02解决措施电蚀的发生是由于在轴承内外圈之间产生了因电磁不平衡、共模电压等因素产生的轴电压大于油膜击穿电压，产生了EDM放电电流。解决该问题的方案主要有“防”和“堵”两种方式，或者防堵结合。 其中，在控制器和电机之间增加AC Filter（交流滤波器）虽然能通过修正控制器输出波形，减小共模电压，但该方案成本较高，并且只是降低，而不是完全消除共模电压。 虽然有这么多的可选方案，但每一种方案均有一定的缺点，在选择时，需要综合考虑设计可行性、可靠性、维护、成本等多个方面。目前用的比较多是导电接地环，直接将电流通过碳刷流入接地壳体。另外，陶瓷轴承虽然是非常不错的方案，但在行业竞争如此激烈的形势下，昂贵的价格劝退了绝大多数的客户。 其实，轴电压、轴电流在电驱系统中并不是一个独立的问题，轴电流产生的电蚀会导致NVH问题，过大的轴电流也会引起EMC问题，在EMC中常用的共模扼流圈也能一定程度降低瞬态共模电压。 感谢阅读，不足之处敬请指出！