高压交流电动机轴电流引起的轴承故障与改进措施

沈　蔚

(中国石化上海石油化工股份有限公司公用事业部，上海200540)



高压交流电动机轴电流引起的轴承故障与改进措施

沈蔚

(中国石化上海石油化工股份有限公司公用事业部，上海200540)

摘要：针对同一台高压交流电动机反复出现轴承故障的现象，分析阐述了交流电动机内外部轴电压产生的原因，由于轴电压构成的回路电阻很小，以致很小的轴电压便会产生很大的轴电流。根据轴电流对轴承破坏的共同特征，对轴电流造成轴承损伤的机理进行分析，结合电动机检修管理的实践经验，提出了轴电流的防止措施和设防建议措施。

关键词：交流电动机轴承损伤轴电流分析措施

由于高压交流电动机的磁路磁场不对称、漏磁、剩磁、轴向磁阻变化和外部静电感应、外部电源介入等原因，运行中的交流高压电动机会产生轴电流。而轴电流对电动机的轴承和轴瓦造成严重损伤，出现轴承状态监测数据恶化，严重时会使轴承烧损，而轴承或轴瓦损坏及更换带来的直接和间接经济损失也不可低估。因此必须高度重视和防范交流高压电动机的轴电流问题。

某企业E-GA120B急冷油循环泵电动机由日本富士公司于1997年4月制造，为560 kW,4极6 kV的增安型电动机，其轴伸端轴承为6226C3和NU226MC3，非轴伸端轴承为NU226MC3。该电动机投用以来一直运转平稳，但在2011年1月5日因电机非负荷端的冷却进风口(下进风口)被保温塑料薄膜吸堵，引起轴伸端轴承超温运行，造成轴伸端轴承抱轴故障，同时出现电动机负荷侧定转子的部分扫膛，经抢修后投入正常运行。运行3个月左右，该电动机轴承状态冲击脉冲(SPM)监测数据明显恶化，当时怀疑轴承质量有问题，不得已安排更换轴承并再次投入运行。但2011年10月该电动机轴承状态SPM监测数据再次恶化，经对检修拆解轴承的观察分析，发现NU226MC3轴承内圈有明显的搓板样条形烧伤痕迹，判断为轴电流引起的轴承烧损故障。为此采取防止产生轴电流的措施，在非负荷端改用SKF绝缘轴承，之后该电动机正常运行至2015年12月，才因负荷端轴承保持架突然疲劳故障安排了检修。期间SPM轴承状态监测数据仍保持良好状态，电动机轴承的正常运行寿命得到了保证和延长。

1电动机轴承损伤原因分析

交流电动机是在正弦交变的电压下运行的，电动机的转子是在正弦交变的磁场中运行。由于存在扇形冲片与极对数关系不正确，硅钢片铁芯材料的方向性等叠加因素，铁芯槽、通风孔等存在剩余磁通等问题，使电动机内部的磁路中产生不平衡的磁阻，电动机中便产生与轴相交链的交变磁通，在轴的两端感应出轴电压。该电压是沿轴向产生的，如果与轴两侧的轴承直接接触形成闭合回路，将有轴电流产生。

几乎所有的电动机运转时或多或少都会产生某种水平的轴电压，除了电动机内部因磁路中磁阻不平衡产生的轴电压外，还有外部原因诸如逆变电源供电运行产生的、静电感应产生的、外部测控元件电源的介入产生的以及负载方面的流体与旋转体相互间的摩擦而在旋转体形成静电荷积累产生的轴电压。只要轴电压高于某一特定水平，就是一种故障隐患[1]。电动机所容许的轴电压、轴电流的大小与轴承类型、运行状态、润滑油质、转速、安装质量、现场运行环境和轴电流流经路径的阻抗等许多因素有关。相对于滑动轴承，滚动轴承由于滚珠(滚柱)与轴承内外圈滚道的接触面积更小，电流密度更大，对轴电流的敏感度比滑动轴承更大，凡有轴电流的电动机，由于转轴硬度及机械强度比轴承烧熔合金的高，通常表现出来的症状是轴承内表面被压出条状电弧伤痕，于是在轴承内表面形成凹坑或凹槽。拆下滚动轴承检查，发现轴承内外圈滚道上有像洗衣搓板样的条形损伤痕迹，这是轴电流对滚动轴承破坏的共同特征[2]。此现象产生的原因是在滚珠或滚柱在碾压接触的地方接触电阻很小，并将润滑油脂挤向两侧，当滚动体将要离开原位置时，产生小间隙，此时就有放电现象产生，将跑道烧成条状痕迹；线条的个数与轴电流频率、电动机转速和轴承内状况有关。

轴电流对滚动轴承造成的危害主要体现在以下几方面：

(1)由于电弧放电和电离，电动机轴承内的润滑剂劣化加速，导致润滑性能和介电强度降低；

(2)轴电流在转轴和轴承内表面将产生许多电蚀点，破坏了轴承与转轴的良好配合，破坏油膜形成条件；

(3)轴承运行温度升高，噪声和振动加剧，甚至伴有润滑油脂流出；

(4)过大的轴电流密度甚至会造成严重的灼伤，在轴承滚道表面形成不可逆的麻点(凹坑)和凹槽；

(5)在爆炸性危险环境运行的电动机，过大的轴电流产生的过热或火花，将可能引发爆炸等恶性事故。

一般通过滚动轴承的最大电流密度不得超过1.5 A/mm2，否则轴承性能将严重恶化，损害轻微的可运行上千小时，严重的甚至只能运行几小时，给现场安全生产带来极大的影响。美国电气制造商协会编写的NEMAMGI标准规定，按IEEE112《多相感应电动机试验标准》进行试验，给出了不同轴电压、轴电流水平对电动机轴承造成的影响，通常以表1和表2所示规定作为电动机轴电压和轴电流的参考[1-2]。

表1　轴电压对轴承的影响

表2　轴电流对轴承的影响

根据表1和表2的参考限值：对于滑动轴承，轴电压小于0.5 V，轴电流小于10 A，基本无烧蚀，可满足正常稳定运行；而对于滚动轴承，轴电压小于0.3 V，轴电流小于1 A，一般滚动轴承才能满足正常稳定运行。

E-GA120B电动机第一次故障运行前后，其运行环境和运行条件均没有任何变化，可以判明不存在外部原因引起轴电流的可能，因此只能从电动机本身寻找原因。该电动机故障前运行状态平稳正常，说明设计制造时，磁路磁场对称性控制很好，轴电压和轴电流满足正常运行要求。而当该电动机出现抱轴和负荷侧部分扫膛故障后，电动机磁路磁场的对称性遭到破坏，导致磁阻不平衡(检修后仍存在硅钢片粘连，使得磁性材料定向属性发生变化以及气隙不均匀等现象)，产生超出正常运行要求的轴电压。又由于该电动机在阻断轴电流方面没有采取任何设防措施，使得电动机前后轴承内外圈、轴承室、机座形成了闭合回路，于是产生了超出正常运行要求的轴电流，加剧了轴承的损伤，缩短了轴承使用寿命。

对有害的轴电压和轴电流可通过两种方法来判别[1]：一是通过电动机试验平台检测轴电压的方式；二是通过观察拆解下来的故障滚动轴承来判别，凡是轴电流引起的烧伤，在拆除轴承检查时会发现轴承内外圈跑道上有像搓板样的条形烧伤痕迹，这是轴电流对滚动轴承破坏的共同特征。根据以上分析，该电动机轴承频繁故障的真正原因是轴承抱轴故障引起定转子部分扫膛，造成电动机磁路磁阻不平衡而产生的有害轴电流所致。

2防止电动机产生轴电流的措施

轴电压对电动机是没有损害的，只有形成轴电流才会对轴承和转轴造成破坏，轴电流的形成需要同时具备两个条件：一是轴承内圈和轴承外圈、轴承室、机座形成一个闭合回路；二是轴承的内圈和外圈之间存在电位差，即轴电压。上述两个条件只要有一个不具备，就不会产生轴电流。

实际制造、使用、检修过程中，通常采取的防止措施：一是阻断形成轴电流的闭合回路；二是在电动机转轴上安装旁路电刷。在阻断形成轴电流的闭合回路方面，可采取的途径和方法有：

(1)在电动机非负荷端直接采用绝缘轴承，此方法简单、有效、可靠，缺点是订货周期长，轴承更换费用高，可通过有效的管理来克服(如加强与轴承供应商的联系，落实库存备件和保管措施等)。

(2)在电动机非负荷端采用绝缘轴承室，轴承室是一个带绝缘层的载体，可通过对轴承室内表面和端面用等离子均匀喷涂50～100 μm高性能耐热陶瓷绝缘层，也可在端盖轴承室嵌入隔套，套与端盖间夹垫绝缘层，相应紧固内外盖的螺栓加绝缘套管和绝缘垫等措施。绝缘轴承室也有缺点：一是结构和工艺都相对复杂，绝缘层的制作需要专业厂家完成；二是电动机反复检修容易损伤绝缘层，此类事故在同企业另一台B-GB1101隔爆型860 kW四极进口电动机的检修过程中曾有发生，最后通过更换绝缘轴承得以解决；三是防爆电动机检修中需要设防时，因结构工艺的改变，其防爆性能难以保证。

(3)对于滑动轴承结构，通常的方法是在固定轴承部位加垫环氧玻璃布板，并紧固螺栓加绝缘套管和绝缘垫，进出油路的管道加绝缘管接头等设防措施。

(4)在某些情况下，为了与负载机械保持开路，还必须采用一些特殊的预防措施，如直接联接到电动机的联轴器要采取绝缘措施，各类检测、控制设备均要采取绝缘措施。

关于电动机转轴上安装旁路电刷，其原理是破坏轴电流形成的第二个条件，消除轴承内外圈之间的电位差，缺点是不适宜爆炸危险区域使用，仅适用于由静电引起轴电压的消除。

在本案中，电动机轴电流的产生是由电动机内部引起的，根据上述防止轴电流的措施，结合实际使用、检修的可行性，决定对该交流高压电动机非负荷端的轴承直接改用绝缘轴承，以阻断轴电流的闭合回路，从而消除轴电流对轴承的损伤。

通过采取以上阻断轴电流的解决措施，该电动机轴承可正常运行4年有余，减少了因频繁更换轴承带来的直接和间接经济损失。

3结语

在使用滚动轴承的交流高压电动机的检修管理中，一旦发生轴承损坏和定转子扫膛，在检修中应特别注意轴承表面痕迹。凡是轴电流引起的轴承烧伤，都会在轴承内外圈跑道上有像搓板样的条形烧伤痕迹，这是轴电流对轴承破坏的共同特征。或者在检修和试验时，建议检测交流高压电动机轴两端的轴电压，并按是否大于300 mV的标准来设防。对于在防爆危险环境中使用的交流高压电动机，只能采取阻断轴电流回路的方法，主张在非负荷端直接改用绝缘轴承的方法来阻断轴电流。总之，为减少轴电流的危害，要根据供电的品质、电动机大小、运行环境、轴承类型以及轴电压大小等具体情况，采取相应有效可行的措施，延长轴承的运转寿命，提高电动机运行的可靠性。

参考文献

[1]梁庆信译.感应轴承电流[J].中小型电机,2002,29(3):3.

[2]宋昌才.电机轴承使用手册[M].北京：化学工业出版社,2009:5.

Bearing Failure of High Voltage AC Motor Caused by Shaft Current and the Prevention Measures

Shen Wei

(PublicUtilitiesDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.200540)

ABSTRACT

Keywords：AC motor,shaft bearing damage,shaft current,analysis,measures

收稿日期：2015-11-30。

作者简介：沈蔚，男，1957年出生，1982年毕业于上海工业大学电机工程专业，高级工程师，现为公用事业部电气管理主任师，从事电气管理工作。

文章编号：1674-1099(2016)01-0051-03中图分类号：TH17

文献标识码：A

In view of the repeated bearing failures on the same high voltage AC motor,the causes for generation of shaft voltage inside and outside the AC motor were analyzed.As the electric resistance in the return circuit

constituted by the shaft voltage,a small shaft voltage will produce a large shaft current.Considering the common characteristics of bearing damage caused by shaft current,the mechanism of bearing damage was analyzed.Prevention measures and fortification suggestions for shaft current were raised based on the above analysis and practical experiences in motor maintenance and management.