深圳地铁抑制车辆牵引电机轴电压的探索

黄初平 谢述武 钟武凌

(1.深圳市地铁集团有限公司，518041，深圳； 2.深圳市亿斯泰科技有限公司，518063，深圳//第一作者，工程师)

深圳地铁部分车辆的3款电机集中出现了轴承滚珠严重磨损和剥离、保持架碎裂及内外圈滑道磨损等故障。根据第三方检测分析报告，其故障原因不同程度地与轴承电腐蚀有关，见表1。

文献[1]指出，25%的电机轴承损坏是由脉宽调制逆变器供电引起的轴电流所导致的。轴电压的存在是轴承电腐蚀的重要原因，为此，深圳地铁有关部门重新认识到轴电压产生的危害，开始测量轴电压的大小，并探索抑制牵引电机轴电压的措施。

表1 深圳地铁车辆牵引电机轴承故障第三方检测结果

1 轴电压的产生和危害

变频驱动系统采用高频率IGBT(绝缘栅双极型晶体管)开关控制，势必在电机上感应产生共模电压；而共模电压作用于电机绕组，通过电机中的寄生电容[2](见图1)形成共模电流通路，进而在轴承油膜两端(轴承内、外圈)形成轴电压。

图1 感应电机的耦合电容模型

当轴电压突破油膜阀值电压时，轴承上将会放电。放电产生的短路电流会在短时间产生巨大的热量，从而造成击穿点附近金属熔化，引起电火花加工 (EDM)凹坑、电腐蚀斑点和凹槽损伤[2]，使轴承内外圈滑道产生早期损伤。长期积累损伤会损坏轴承，最终造成轴承失效。

2 抑制轴电压的措施

2.1 调整接地阻抗

文献[3]指出，电机定子经过接地线接地，其接地阻抗不可忽略；同时，转轴经负载(如齿轮箱等)接地，会形成一个新的入地通路。此时，电机机壳接地阻抗和转轴接地阻抗同时存在，电路拓扑结构发生变化。上述接地阻抗与轴电压呈现出V型曲面关系，如图2所示。

图2 接地阻抗与轴电压的V型曲面关系

当电机机壳接地阻抗和转轴接地阻抗同时存在时，PWM变频系统共模等效电路构成了惠斯通桥电路。此时轴电压是电桥移动的结果，且存在一个轴电压较小的范围。

因此，为获得更小轴电压可作以下调整：①调整牵引电机机壳到接地碳刷的接地阻抗；②调整牵引电机转轴经联轴节及齿轮箱到轴端接地碳刷的接地阻抗。

2.2 旁路轴承(引入接地环)

接地环本质上是短路环，核心材料是呈圆周布置的高性能导电纤维，其外围是铝合金框架(如图3所示)。

图3 接地环

在实际工程应用中，越来越多的电机采用绝缘轴承(轴承外圈与安装座绝缘)，因此无法直接短接轴承内外圈。本文将使用接地环将电机外壳与转轴短接，从而改变电容模型，尝试降低轴电压。

文献[3]中建立的电容模型，将增加Cbf(绝缘轴承外圈与定子的电容)。增加接地环后的感应电机等效电路如图4所示。

图4中，当共模电压不变并引入接地环(增加阻抗Z接地环)后，轴电压Ub也将随之降低。

针对绝缘轴承，因无法直接测量内外圈电压，业界将安装座与轴直接的电压Ub1也习惯称为轴电压，并将其作为衡量轴承内外圈的电压大小的参数。很显然，Ub

图4 增加接地环后的感应电机等效电路

3 调整接地阻抗来抑制轴电压

本研究在深圳地铁5号线某型列车上开展试验，通过改变牵引电机外壳至轴端碳刷之间的接地阻抗来实现抑制轴电压的目的。

3.1 YQ-190-5牵引电机概况

试验车辆采用YQ-190-5牵引电机，其接地路径为“牵引电机→转向架→车体→轴端接地”(如图5所示)，与性能参数相近的庞巴迪系列车型的“牵引电机→转向架→轴端接地”路径不一致。

该型列车的接地电容为54.00 μF，与之性能参数相近的庞巴迪系列某型列车接地电容为3.90 μF。

3.2 测试方案

依据文献[3]，通过调整接地阻抗来抑制轴电压，主要可采取3方面措施。

措施一： 将接地路径从原来的“牵引电机→转向架→车体→轴端接地”改为“牵引电机→转向架→轴端接地”，缩短了接地路径。

措施二： 增加(并联)了30 mΩ的接地电阻。

措施三： 将接地电容从54.00 μF分别调整至0.50 μF、0.68 μF和1.00 μF。

电机轴承电压测试点如图6所示的。其中，测试点1的引出线由测试工装(自制碳刷)实现。测试用示波器品牌是日本横河，型号为YOKOGAWA DL850(精度0.5%)，测试用探头为电压探头(精度1级)，线缆为同轴线缆。

3.3 测试结果

试验测试了列车在3个速度等级下，100%牵引和快速制动工况下的最大轴电压峰值。本文研究只选取列车运行速度等级为40 km/h的数据(见表2)。

图5 深圳地铁5号线某车型接地电路

图6 轴电压测试接线示意图

由表2可见，在改变接地电阻后，轴电压峰值从128 V降至95 V；在单独改变接地电容大小后，轴电压峰值降至85 V；在采取综合措施后，轴电压峰值降至82 V，降幅达35.9%，抑制效果明显。

表2 40 km/h速度等级100%牵引和快速制动工况下的最大轴电压峰值

4 引入接地环来抑制轴电压

根据上述分析，在牵引电机型号分别为1TB2010-1GA02和YQ-190-5的两列列车上引入接地环，并开展试验。

4.1 1TB2010-1GA02电机引入接地环前后的轴电压

4.1.1 测试方案

如图7所示，在电机驱动端，利用端盖与联轴节之间的间隙，加装绝缘板固定接地环(接地环内径为φ80 mm与轴头外径要相适应)，并从接地环引线至电机外壳接地螺栓处，待连接(图7中表示为开关K)。在电机非驱动端，制作工艺端盖并安装碳刷紧贴电机轴头，碳刷引线至数字示波器V1(品牌为AEGIS，型号为AEGIS-OSC-9100，采样周期为50 μs)；V1另一端连接至电机外壳接地螺栓。为更系统地研究引入接地环后电压对齿轮箱的影响，试验还会测量齿轮箱电压U2。

4.1.2 测试结果

经测试，运行速度等级为40 km/h的列车在100%牵引、匀速惰行和快速制动工况下的最大U1峰值如表3所示。

由表3可见，引入接地环后，U1峰值从84.8～110.4 V，下降到22.0～38.8 V，平均下降幅度为70.4%，抑制效果明显。U2也有下降。

4.2 YQ-190-5电机引入接地环前后的轴电压

YQ-190-5电机的相关测试与TB2010-1GA02电机测试相似，在此不再赘述。测试结果见表4。

图7 1TB2010-1GA02牵引电机引入接地环的测试方案

表3 1TB2010-1GA02牵引电机40 km/h速度等级引入接地环前后的轴电压

表4 YQ-190-5牵引电机40 km/h速度等级引入接地环前后的轴电压

由表4可见，引入接地环后，U1峰值从77.6～85.6 V，进一步下降到14.8～17.2 V，平均下降幅度为80.4%。U1得到有效抑制。而U2峰值在引入接地环后出现大幅下降。这表明引入接地环能更好地保护齿轮箱齿轮和轴承。

5 结语

深圳地铁有关部门针对变频驱动系统中轴电压对牵引电机造成的轴承电腐蚀问题，已开始采取引入接地环、改变接地阻抗等措施来抑制轴电压。一系列的试验结果证明，通过调整接地阻抗和引入接地环两种方式，都可有效降低牵引电机的轴电压，避免电机轴承早期损伤，降低了电腐蚀的影响，从而达到延长轴承使用寿命的目的。