变频电机轴承电蚀现象分析与处理方法

胡晓庆 焦振洋 刘可夫

摘 要：现阶段，随着社会的发展，我国的现代化建设的发展也越来越迅速。公司供水泵站是钢铁厂水源的供水设施，采用恒压变频供水。原水供水泵电机功率220kW，电压等级690V，启动方式为变频启动。根据供水管网压力实现恒压供水。供水泵电机采用变频电机YPT355M1-4，转速1489r/min。投产后电机前后轴承频繁发生过热现象，通过测温，电机机身温度在53℃，轴承温度在75℃。电流给定正常，没有波动现象，发现问题后，由于生产需要，只能添加轴流风机对其进行散热后，利用检修期间，通过解体检查，油脂正常，并未出现添加过量、缺失、融化或变质现象，通过清洗轴承，发现前后轴承滚道内有不同程度的鱼鳞纹损伤，滚珠表面也有点蚀现象，此类故障频发，对供水系统的正常生产造成严重的影响。针对此类故障，组织技术人员对电机及轴承进行解体、研究、分析、总结，以便分析故障。并针对其故障现象研究处理方法，避免此类频发故障，减少备件及维护成本，以便做到预判及提前处理，增加设备运行可靠性。

关键词：变频电机；轴承电蚀现象分析；处理方法

1 轴承故障现象分析

通过解体检查，发现应用的普通的6224滚珠轴承外滑道上有明显的鱼鳞纹损伤，并且转动轴承，滚珠与滚道摩擦力变大，检查发现滚珠体表面也有点蚀的现象。通过拆解2台电机4套轴承，都有同样的现象，并且对油脂及加油量进行考量，未出现油脂添加过量、缺失、融化或变质现象。通过现象分析，怀疑是有轴电流的产生，轴电流对轴承作用产生电蚀现象。

2 原理分析

由于变频电机的设计与普通电机设计是有区别的，对普通异步电动机来说，电磁设计，在设计时主要考虑电机的过载及过负荷能力、启动效率和功率因数。而变频电动机，由于临界转差率与电源频率有关，反比于电源频率，可以在临界转差率接近1时直接启动，因此，过载能力和启动效率不需要过多考虑，而需要解决的关键问题是如何改善电动机对非正弦波电源的适应能力，也就是说要对磁路不平衡有解决措施。同理对应的设计结构也应该考虑到非正弦波电源对变频电机的绝缘结构、振动、噪声冷却方式等方面的影响，特别是消除轴电流的影响，电机轴电流的产生是因为在电机的轴、轴承、轴承套、端盖和机座所组成的磁回路中，由于随时间变化产生交变的磁通，在轴上产生感应电动势，从而產生感应电流，当电流流经轴承时形成电蚀现象。轴电流的产生要有两个条件：（1）产生交变的磁通，在轴上产出不平衡电动势。（2）要有闭合回路，相当于闭合的通道，有轴电流流经的闭合回路。供水泵电机为变频电机，变频电机在投入运行后，电源为交变的非正弦波，极易产生磁路不对称现象，只要构成回路，就会产生轴电流，当变频器产生的高频分量与产生的轴电流结合在一起产生叠加作用时，轴电流将大大增加，从而导致轴承滚珠与滑道损坏，产生电腐蚀现象，而轴承产生电腐蚀的明显特征就是轴承外圈滑道磨出类似鱼鳞状的轴向阶梯划痕，轴承内套及滚珠表面出现电灼伤产生点状微孔，也就是电流通过转子经过轴承产生的放电现象。此种现象加速轴承损坏，致使轴承发热，甚至声音异常、振动增大。

3 处理方法

通过分析，明确了轴承发热的原因，针对其原因制定整改措施及应对办法。供水泵电机为变频电机，轴承应用的是普通6224轴承，变频产生交变的磁通，极易产生磁路不对称现象，普通轴承，可构成电流回路，一般220kW的变频电机都有防止轴电流的措施，一种方法是在电机的轴承部位采用绝缘轴承来阻断轴电流的回路，使其不能闭合，形成不了通路，从而达到保护轴承的目的。另一种方法就是对大型电机两端轴承采用碳刷接地，即在前轴承（负荷侧）增加一对刷握和接地碳刷，接地碳刷接地必须直接接地，接地点必须牢固、可靠，使轴电流不经过轴承直接流入接地点，避免在轴承上产生电腐蚀。对现场电机结构和现场分布，更换绝缘轴承，备件周期长，费用高，因其工期紧，所以准备通过增加接地碳刷的方法来解决现场问题，我们在5#、6#变频供水泵上各增加一对刷握和接地碳刷，即在电机前端（负荷侧）增加一对刷握，将碳刷安装在前轴上，碳刷接地引出线接于电机外壳也就是电机轴承外壳上，通过电机外壳直接与电机外壳本体直接接地点可靠连接，测量其接地电阻，接地电阻小于4Ω。通过增加接地碳刷来进行消除轴电流方法，进而对电机过热进行了保护。电机投入运行，运行周期3个月，通过监测供水泵电机前后轴承温度，温度有了明显的降低，前后轴承维持在54℃以下稳定运行，未出现过电机轴承过热现象。同时3个月后对电机轴承进行解体清洗检查，未发现前期轴承内套、滚珠及外圈滑道损坏的迹象，效果明显。后期也将采用更换绝缘轴承的方法来隔断其轴电流的流通回路，达到安全运行的效果。

4 电流损伤的解决措施

虽然有许多技术可以用来保护交流电机的轴承，但很少有方案可以同时满足高效力、低成本、应用范围广等要求。例如：法拉第屏蔽、绝缘结构、陶瓷轴承、导电润滑脂、接地碳刷等。这些技术都或多或少存在着成本高、易磨损、易污染等情况，因此很少被行业采用。本文根据上述对轴承电流对轴承电气损伤的分析，提出了全新的解决方法。

4.1 绝缘轴承

轴承绝缘可以阻断放电回路，轴电流无法通过轴承流向电机外壳和接地，从而保护轴承。但有时，由于陶瓷绝缘材料的电容效应，高频感应电流会穿过绝缘层，并导致轴承失效。同时，如果电机连接了负载，轴电流可能通过负载的轴承放电，造成负载的轴承故障。除此以外，轴承绝缘或其他轴承隔离的方案实施起来成本也较高。

4.2 建立放电旁路

建立有效的放电旁路电路有时比轴承绝缘效果更好，因为比起阻断轴电流回路，这个方案可以有效地将轴电流导走。这种理想的解决方案提供一个从电机轴到外壳/设备接地之间非常低阻抗的回路，这种方案实施起来成本较低，可为变频驱动电机和交流电机提供最大程度的轴承保护，是性价比较高的方案。

4.3 安装导电环

导电环的材质要求机械强度大，360°全方位接触轴承，并是电的良导体，还要具有耐腐蚀性，抗油污和粉尘，在与电刷滑动接触时，必须具备耐磨性和稳定的滑动接触特性。一般来说，钢质集电环的耐磨性好，机械强度大。轴承导电环方案通过在一个金属环上增加一圈超细耐磨的导电纤维，在电机轴和电机外壳/设备接地间建立一个阻抗低、可靠性高的放电旁路，可有效导走轴电流，保护电机轴承。这种方案通过使用电子传输技术，加快电子传输速率，极大地提高了高频轴电流释放的效率。通过无数个电流释放回路，导电环将轴电流成功绕过轴承导向设备接地。导电环是一个低成本、免维护，免清洗、效率和可靠性高的解决方案，适用于所有变频驱动的电机和交流电机。

5 结束语

轴承的故障类型很多，总结分析，通过现象看本质，有效开拓了看问题的思路。轴承故障不能片面，要从机械角度、电机结构原理全面进行分析、总结。

参考文献

[1]何良，刘皓，刘扬礼，等.PWM变频驱动电机轴电压与轴电流的测试方法[J].环境技术，2015.2.

[2]严冠豪，刘园，杨俊飞.变频电机轴电流的分析[J].防爆电机，2014.5.