電機(jī)軸電流的產(chǎn)生機(jī)理研究及其預(yù)防措施

倪 磊，胡承輝

(1. 上海交通大學(xué)； 2. 上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

電機(jī)在運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)軸兩端或者轉(zhuǎn)軸與地之間存在電勢(shì)差，稱之為軸電壓[1]。軸電壓通過某些導(dǎo)通路徑產(chǎn)生電流，即為軸電流。導(dǎo)通路徑中含有一些重要的部件或設(shè)備，比如電機(jī)軸承、負(fù)載軸承、負(fù)載側(cè)嚙合齒輪等，由于軸電流的作用會(huì)影響其正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損毀、機(jī)組停機(jī)的事故。隨著近年來變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)使用越來越多，以及“汽電雙驅(qū)”等機(jī)組的投入使用，軸電流導(dǎo)致的設(shè)備故障也日益增多，因此研究電機(jī)軸電流的產(chǎn)生機(jī)理及其預(yù)防措施，就顯得格外重要。

1 電機(jī)軸電流的產(chǎn)生機(jī)理

1.1 常規(guī)工頻電源供電的電機(jī)軸電流

在常規(guī)工頻電源供電時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生軸電壓主要的原因是磁路不對(duì)稱。導(dǎo)致磁路不對(duì)稱的原因有很多，常見的有定轉(zhuǎn)子鐵心沖片的拼縫、沖片的開孔(如軸向通風(fēng)孔、拉緊螺桿孔等)、沖片的定位槽以及轉(zhuǎn)子偏心等。其本質(zhì)是磁通閉合回路中的磁阻不對(duì)稱，導(dǎo)致在鐵心中出現(xiàn)了畸變的“環(huán)形磁通”，進(jìn)而產(chǎn)生了軸電壓。以下就以一臺(tái)8極異步電機(jī)為例，詳細(xì)說明其軸電壓產(chǎn)生的原因。

圖1是一臺(tái)8極異步電機(jī)磁通路徑示意圖。該電機(jī)定子鐵心為扇形沖片疊壓而成，圓周上為6拼。考慮電機(jī)定子鐵心的整體性，拼縫為交錯(cuò)相疊(重疊數(shù)為2)，因此在整個(gè)定子鐵心圓周上可以看作共12條拼縫。電機(jī)正常的磁通路徑是從N極定子齒出發(fā)通過氣隙，經(jīng)過轉(zhuǎn)子齒、轉(zhuǎn)子軛部、轉(zhuǎn)子齒再穿過氣隙到達(dá)相鄰S極定子齒，再經(jīng)過定子軛部回到原點(diǎn)，形成閉合磁通回路。但當(dāng)磁通路徑中存在圖1所示的拼縫時(shí)，在某些空間位置的磁通回路中需要在定子軛部穿過一條拼縫，而另外一些空間位置的磁通，如果按照“正?！钡拇磐窂?，則需穿過兩條拼縫。由于拼縫處的磁阻比硅鋼片大很多，磁通會(huì)自動(dòng)分配到磁阻較小的路徑：當(dāng)磁力線到達(dá)S極定子齒后，不會(huì)再穿過兩條拼縫回到原出發(fā)點(diǎn)，而是繼續(xù)穿過一條拼縫到達(dá)下一個(gè)N極的定子齒。以此類推，就會(huì)形成經(jīng)過所有極的環(huán)形磁通回路。

圖1 磁通路徑示意圖(8極共12拼縫)

如圖2所示，我們把轉(zhuǎn)軸-軸承-機(jī)座構(gòu)成的機(jī)械回路看作一個(gè)線圈，由于環(huán)形磁通的存在，穿過該線圈的總磁通不再等于零。同時(shí)由于電機(jī)內(nèi)部為交變磁場(chǎng)，產(chǎn)生的上述環(huán)形磁通也隨時(shí)間交變，穿過轉(zhuǎn)軸-軸承-機(jī)座“線圈”的總磁通為Φring(t)。根據(jù)磁通的變化ΔΦ，在轉(zhuǎn)軸兩端感應(yīng)出交變的軸電壓。如果軸電壓經(jīng)過軸承、機(jī)座或者大地形成導(dǎo)通回路，則會(huì)產(chǎn)生循環(huán)軸電流icirc。

圖2 環(huán)形磁通、軸電壓、軸電流示意圖

以上是8極電機(jī)定子沖片6拼(重疊數(shù)為2，圓周共12條拼縫)產(chǎn)生軸電流的機(jī)理。如果把扇形片拼數(shù)改為8拼(重疊數(shù)為2，圓周共16條拼縫)，此時(shí)磁通路徑示意圖則如圖3所示。

圖3 磁通路徑示意圖(8極共16拼縫)

由圖3分析可知，無論磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)到哪個(gè)空間位置，磁力線按磁通路徑磁阻最小的原則都會(huì)在一個(gè)極距的范圍內(nèi)閉合，不會(huì)形成環(huán)形磁通。所以，拼縫數(shù)是否會(huì)導(dǎo)致電機(jī)形成環(huán)形磁通進(jìn)而產(chǎn)生軸電壓，是由拼縫數(shù)與電機(jī)極數(shù)在空間的對(duì)應(yīng)關(guān)系決定的。通過歸納可以得出：若沖片拼數(shù)為t，重疊數(shù)為n(一般為2)，電機(jī)極對(duì)數(shù)為p，產(chǎn)生軸電壓的條件[2]為：

(1)

除了定、轉(zhuǎn)子鐵心沖片的拼縫之外，沖片上的開孔、沖片的定位槽也遵循上述規(guī)律，只需把(1)式中總拼縫數(shù)n×t理解為圓周均布的開孔數(shù)和定位槽數(shù)即可。

另外，轉(zhuǎn)子偏心也會(huì)引起磁路不平衡進(jìn)而產(chǎn)生軸電壓，在2極電機(jī)中比較明顯。主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)子偏心后，兩個(gè)極下的磁通經(jīng)過的氣隙長(zhǎng)度不相等，即氣隙磁阻不同。磁通路徑根據(jù)磁阻大小進(jìn)行分配，導(dǎo)致形成了匝鏈轉(zhuǎn)軸的磁通，同樣會(huì)在軸兩端感應(yīng)出軸電壓。

1.2 變頻器供電的電機(jī)軸電流

當(dāng)電機(jī)采用電壓型變頻器供電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的軸電流來源，即變頻器的共模電壓。當(dāng)采用PWM切換的三相電壓供電時(shí)，每相都含有很多次的諧波分量[3]。輸出的三相電壓即使基頻分量是對(duì)稱的，但無法使所有諧波分量都對(duì)稱以滿足瞬時(shí)三相電壓矢量和為零。因此變頻器瞬時(shí)中性點(diǎn)電壓不為零，該電壓就是共模電壓的來源，故共模電壓可看作變頻器三相電壓的零序分量。共模電壓對(duì)電機(jī)軸電流的影響主要有以下幾個(gè)方面。

1.2.1 高頻環(huán)路磁通產(chǎn)生的高頻循環(huán)軸電流

如圖4所示，電機(jī)內(nèi)部存在著各種雜散電容，如定子繞組與鐵心機(jī)座間的電容CWF，轉(zhuǎn)子與定子鐵心機(jī)座間的電容CRF，定子繞組與轉(zhuǎn)子間的電容CWR。變頻器給電機(jī)供電時(shí)，變頻器的共模電壓作用在電容CWF上產(chǎn)生高頻共模電流，也可以看作是繞組對(duì)地高頻泄漏電流。由于對(duì)地泄漏電流的存在，使得定子繞組同一匝線圈的兩條邊流過的電流不相等。因此，整個(gè)繞組的凈安匝數(shù)不為零。根據(jù)安培環(huán)路定律，將在定子鐵心軛部產(chǎn)生環(huán)路磁通，并且高頻共模電流的頻率與變頻器開關(guān)頻率相關(guān)，可達(dá)幾十kHz到幾MHz。由此產(chǎn)生的高頻環(huán)路磁通與常規(guī)電源供電時(shí)的環(huán)形磁通類似，在轉(zhuǎn)軸-軸承-機(jī)座組成的回路中形成高頻循環(huán)軸電流，并且與常規(guī)低頻的循環(huán)軸電流相疊加。

圖4 電機(jī)雜散電容及高頻環(huán)路磁通示意圖

1.2.2 軸對(duì)地電勢(shì)產(chǎn)生的共模電流及電容放電電流

根據(jù)變頻器共模電壓在電機(jī)中的分布，可以得出電機(jī)側(cè)的共模電路模型[4]，如圖5所示。

圖5 共模電路模型

圖中Vcom為共模電壓，Cb為驅(qū)動(dòng)端軸承自身的電容，Cbn為非驅(qū)動(dòng)端軸承自身的電容。從電路圖中可以看出，當(dāng)電機(jī)機(jī)座可靠接地之后，一部分的共模電壓加在轉(zhuǎn)子和地之間，即軸對(duì)地電勢(shì)不為零。該電壓常常作用在滾動(dòng)軸承的內(nèi)外圈或者滑動(dòng)軸承的軸瓦與軸頸之間，記作Vb。由于存在軸對(duì)地電勢(shì)，會(huì)有一部分容性電流從軸承流過，該軸電流為共模電流的一部分。當(dāng)電壓Vb超過軸承自身電容的擊穿值(如油膜擊穿)，會(huì)出現(xiàn)短時(shí)的放電電流，稱作EDM電流。該電流也是變頻電機(jī)常見軸電流的形式之一。

1.2.3 轉(zhuǎn)軸接地后與機(jī)座電勢(shì)差產(chǎn)生的軸電流

這種軸電流主要出現(xiàn)在電機(jī)機(jī)座未可靠接地，轉(zhuǎn)軸通過負(fù)載側(cè)機(jī)械接地的情況。共模電壓產(chǎn)生的共模電流最終經(jīng)過電機(jī)機(jī)座匯入大地返回至變頻器中性點(diǎn)，由于共模電流的路徑存在線路阻抗，特別是當(dāng)電機(jī)機(jī)座接地處的阻抗較大時(shí)，電機(jī)機(jī)座對(duì)地就存在一定的電勢(shì)差。

如果轉(zhuǎn)軸通過負(fù)載接地，這時(shí)轉(zhuǎn)軸與機(jī)座、軸承之間也就存在電勢(shì)差，這個(gè)電勢(shì)差也會(huì)產(chǎn)生脈沖式的容性軸電流。

2 電機(jī)軸電流的預(yù)防措施

通過對(duì)電機(jī)軸電流產(chǎn)生機(jī)理的研究分析，就可以采取對(duì)應(yīng)的措施來防止軸電流的形成。

2.1 普通電機(jī)的軸電流預(yù)防措施

對(duì)于普通工頻電源供電的電機(jī)來說，防止軸電流的主要措施是切斷循環(huán)軸電流的回路。最簡(jiǎn)單的方法是對(duì)非軸伸端軸承采取絕緣措施，即采用絕緣軸承或者絕緣軸承座結(jié)構(gòu)，就可以切斷循環(huán)軸電流回路。在工程上為了方便測(cè)量軸承絕緣電阻，通常將電機(jī)兩端軸承都設(shè)計(jì)為絕緣結(jié)構(gòu)。但對(duì)于兩端軸承絕緣的電機(jī)，如果處于整個(gè)機(jī)組的中間位置，例如圖6所示的“汽電雙驅(qū)”機(jī)組中電機(jī)兩端都有機(jī)械設(shè)備相連接，此時(shí)僅靠電機(jī)軸承采取絕緣措施還是不能防止軸電流的。因?yàn)殡姍C(jī)軸一端-離合器齒輪箱-大地-風(fēng)機(jī)軸承-電機(jī)軸另一端也構(gòu)成了循環(huán)軸電流的回路。如果不切斷該軸電流回路，離合器齒輪箱和風(fēng)機(jī)側(cè)軸承都會(huì)受軸電流侵蝕甚至燒毀。因此在這類機(jī)組中防止軸電流最簡(jiǎn)單的方法，是至少將電機(jī)與其他設(shè)備聯(lián)接的一側(cè)聯(lián)軸器絕緣。

圖6 汽電雙驅(qū)機(jī)組示意圖

2.2 變頻電機(jī)的軸電流預(yù)防措施

變頻電機(jī)同樣可以采取上述普通電機(jī)的措施切斷循環(huán)軸電流回路，來防止高頻循環(huán)軸電流的產(chǎn)生。除此之外，變頻電機(jī)還須減小或者消除1.2.2和1.2.3節(jié)中所提到的軸電勢(shì)。主要方法是將電機(jī)機(jī)座可靠接地，盡可能減小電機(jī)機(jī)座的接地阻抗，同時(shí)在轉(zhuǎn)軸上增加接地電刷。

同時(shí)，在變頻器輸出側(cè)安裝共模電壓濾波器，可以從源頭上減小共模電壓，對(duì)變頻器供電的電機(jī)軸電流有非常好的抑制作用。

3 結(jié)語

普通工頻電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的軸電流大多是由于磁路不對(duì)稱，主要表現(xiàn)為低頻循環(huán)電流。變頻電機(jī)會(huì)額外增加軸電流的來源，主要是受變頻器共模電壓的影響，表現(xiàn)為高頻循環(huán)電流、容性共模電流及放電電流、軸與機(jī)座電位差產(chǎn)生的脈沖式容性電流。在大型電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，需盡量減少磁路的不對(duì)稱，從源頭上遏制軸電流的產(chǎn)生。同時(shí)，當(dāng)機(jī)組中含有電機(jī)尤其是變頻電機(jī)時(shí)，需要特別注意整個(gè)機(jī)組對(duì)軸電流的預(yù)防措施，這樣才能保證機(jī)組平穩(wěn)、可靠、安全運(yùn)行。