无刷直流电机防电蚀结构设计研究及应用

吴泽华 高晓峰 李 庆

（珠海凯邦电机制造有限公司 珠海 519110）

1 轴承电蚀的产生

当永磁电机进行运转时，由于电机磁路不对称、静电感应和制造安装精度不够等因素的影响，转轴两端之间或轴承内外圈之间会产生一个电位差，这个电压差称之为：轴电压。若电机内部构成回路，轴电压就会导致轴电流产生，故轴电流是轴电压产生的结果。而永磁电机一旦旋转起来轴电压就会存在，但是存在轴电压不一定存在轴电流，轴电流才是导致电蚀的直接原因。当轴电流在轴承的滚道轮和滚珠的接触部分流动时，通过润滑油脂会产生微小火花放电，随着时间的延长，其滚道表面经过放电会烧出小凹坑或其他情况的损伤，这种现象称之为：轴承电蚀。

在电机正常运转的情况下，转轴两端之间或轴承内外圈之间的轴电压处于一个很低的水平，轴承本身自带的润滑油脂仍能保护电机的绝缘性能，使电机内部无法产生轴电流。但是当轴电压逐渐累积到一个较高的水平，特别是电机已经快速启动起来时，润滑油脂尚未形成稳定的油膜，轴电压便可以击穿油膜，随之产生放电并在回路里形成轴电流。随着电机的运转和轴电流持续地通过，轴承中的油膜将不断被放电和腐蚀，油脂最终被碳化，轴承滚道不断受到损伤，摩擦损耗和发热量增加，温度逐渐升高，甚至还会导致润滑油脂受热融化从轴承内溢出，润滑油脂含量逐渐减少，损耗和发热量继续增加，形成恶性循环，最终的结果是轴承被彻底破坏，电机丧失工作能力（见图2所示）。

图1 轴承结构图

图2 损坏的轴承

2 轴电压产生的原因

轴电压是电机运行过程中电机转轴的两端、转轴局部以及转轴对地的电位差，引发的原因主要有以下几种：

2.1 含有高次谐波逆变电源

当无刷直流电动机的外部电路采用变频逆变电源时，如果电源输出的波形中含有较高次的谐波分量，这些谐波分量就会在定子绕组的端部、和插针的连接处及转轴之间感应出轴电压，从而产生轴电流。

2.2 外部静电场影响

如果在电动机工作的环境中存在一定数量的高压设备，在外部静电场的作用下，转轴的两端就会感应出轴电压，形成轴电流。

2.3 外部电源的影响

如果电机内部接线不当，其他带电的线头直接和电机的转轴产生接触，也会形成轴电压。

2.4 电机制造和装配过程出现精度偏差

转子出现动偏心或者静偏心，会造成气隙不均匀、定子铁芯内圆面圆度不够、定子铁芯叠片精度不够等原因均可造成轴电压的产生。

2.5 不对称电机的磁路

由于电机铁芯是硅钢片冲压后叠装的，大多设计还具有铁芯槽、通风孔等结构，往往会形成不对称的磁路。当电机转轴旋转并切割不对称磁路时，产生与轴相交链的交变磁通，轴的两端就会产生轴电压。电动机转子、定子极靴、定子齿部之间连接部分的电位不平衡会造成电动机内部磁通的不平衡，是轴电压产生的主要原因。

2.6 其他原因

轴电压的产生还可能由电机内部静电荷的积累和相关元器件绝缘被破坏等原因所造成。

3 防止和削弱产生轴电蚀的设计方法及措施

针对上述轴电压产生的几种原因，有以下几种防止轴电蚀和轴电流产生的方法：

3.1 改进直流电机电源电路

这种方法的原理是降低变频逆变电源的输出电压的变化幅度。具体的操作方式是在逆变电源的输出端串联一个足够大的电感器，并在输出端的接线端之间连接RC电路，这样输出电压的较高次谐波含量将被吸收，防止电位差在定子绕组线圈端部、接线部分及转轴之间产生，控制电位差的发生，从而控制轴电流。

3.2 提高电机设计和制造水平

在电机设计和制造过程，就应考虑避免磁路不平衡的情况出现，冲片冲压应均匀平整精密。此外端盖、机壳、转子的安装应保证高精度，符合一定标准的形位公差要求。避免转子出现明显的偏心，电机中各磁极下的气隙也要达到一定标准的均匀度。

3.3 电机防电蚀结构的设计改进

将电机前后端盖和定子铁芯连接在一起，形成有效的导通，可以使前后端盖和定子铁芯的电压得到平衡，最大程度降低轴电压。一般采用导电性好的铝质托架、铜制的电连接线或导电性较佳的导电带，见图3所示。另外还可以对转子进行注胶处理，在转子铁芯和转轴之间注塑一层绝缘材料（如橡胶等绝缘材料），可将转子不平衡的电位传递到转轴上，轴电压将被大大削弱。

3.4 绝缘轴承室结构

轴承室的内径与轴承外径的配合，可在其内径表面进行喷涂或衬上一层绝缘材料（如橡胶套等），将轴承外圈和端盖进行彻底的隔离，断绝了轴电流的产生，根据与轴承配合要求进行装配，一般轴承的装入采用热套的方法，装配图如图4所示。

3.5 采用有绝缘层的转轴结构

这种方法的具体操作是转轴精加工后，在转轴的轴承档等部位电镀绝缘材料，制作成有防止轴电流产生功能的转轴，如图5所示。这种方法的目的是破坏轴电流形成的条件，防止轴电流形成一个闭合回路。

3.6 碳刷防护结构

通过在电机内部安装碳刷将端盖和转轴连接，形成同一电位，将较高的感应电势释放出去，从而消除轴承内外圈的电位差，杜绝轴电流的产生

但此方法存在电刷有接触损耗，且电刷的阻值较大，从而降低平衡电位差的效果。

3.7 采用绝缘处理过的电机端盖

将电机内部的滚动轴承与其端盖绝缘，切断回路，杜绝轴电流的产生。例如：在轴承外圈表面和端盖间采用绝缘材料进行绝缘处理（如环氧树脂等），使其无法形成通电回路。

3.8 采用具有良好导电性能油脂的轴承

当电机运行一段时间后，均匀的润滑油脂可将轴承的内外圈接通，在还没有形成足够高的轴电压差时，已经将内外圈短路，使其无法形成轴电流。

综上所述，目前为了防止轴承电蚀，主要采取以下原理设计：

1）使轴承内圈与轴承外圈变为导通状态；

2）使轴承内圈与轴承外圈、电机转轴和端盖变为彻底绝缘状态；

3）从源头上杜绝轴电压产生或者大幅度削弱轴电压，从而防止或者削弱轴电流的形成；

4）采取措施尽可能降低轴电压，使其微弱的电位差无法形成轴电流；

针对上述1）的对策，通常采用具有良好导电性的轴承润滑油脂。但此种结构方式其导电性润滑油存在着长时间运行后其导电性逐渐劣化和恶化、滚动性变差等问题。

针对上述2）的对策，具体方法为将轴承内部的小钢珠、钢柱变更为非导电性的陶瓷球、采用带绝缘结构的轴承室结构和对端盖进行改造处理。该结构方法能有效的抑制轴承的电蚀，但是陶瓷球轴承的制作工艺和材料成本较高，无法在电机中通用。

图3 电机防电蚀结构设计

图4 绝缘轴承套

图5 轴绝缘结构示意图

针对上述3）的对策，现有技术常采用的是通过具有导电性的金属制的托架实现定子铁芯与端盖短路，实现静电电容变化从而降低轴电压，消除轴电流。此外，在抑制电机的轴承电蚀的现有技术中，较多地公开将电机的定子铁芯等与接地的地线电连接的结构。

针对上述4）的对策，一般采用优化电机设计，避免磁路的不平衡，对外部的逆变电路进行改善。

4 总结

本论文所述的设计方法可有效消除轴电流和防止轴承电蚀的现象发生，降低轴承的损坏率，提高轴承的使用寿命，从而提升所使用的直流电机的寿命和质量。且在工艺上实施起来也较容易实现，可取得良好的经济效益和达到产品制造的可行性。