Bearing Knowledge

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)

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