船舶推进电机轴电流研究

龙 润，柯常国

船舶推进电机轴电流研究

龙 润1，柯常国2

（1. 海军驻湘潭地区军事代表室，湖南湘潭 411100；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文首先分析了船舶推进电机轴电流产生机理和危害，研究了消除轴电流危害的各种措施。针对轴承绝缘，对绝缘轴承和绝缘结构方案进行对比分析研究。最后，提出了通过绝缘端盖对滚动轴承进行绝缘的方案。

推进电机 轴电流 绝缘

0 引言

近年来船舶电力推进系统需求日趋增多，交流变频调速应用日趋广泛。采用变频调速不但能实现电机无级调速，而且可以在不同应用场景和不同负载条件下使电动机始终运行在高效区，并确保优良的动态特性。随着推进电机容量的不断增大，轴电流导致电机损伤事故屡有发生，设计时应该重视由轴电流引起的危害。

1 轴电流产生机理和危害

船舶交流电力推进系统一般包括推进变压器、推进变频器和推进电机，变频器一般采用电压型两电平交-直-交拓扑方案，变频器采用模块化设计，包括整流单元、制动单元、逆变单元等组成，力求达到较大的功率密度和高可靠性，主回路示意图如图1。

变频驱动系统运行时，转轴与轴承之间产生的电压叫做轴电压，若轴承绝缘不佳，则会通过轴承、轴承座或机座等构成回路，轴电流就产生了。轴电压是随着电机的旋转运行就存在的，一般普通工频电机轴电压产生主要是由电容电流、单极效应或磁路不对称等因素造成，最终还是由磁通脉动造成的，在正弦波供电的情况下，轴电压较小，危害不大[1]。

但是对于船舶电力推进系统广泛应用的变频电机大都采用变频供电，这时电机的轴电压主要是由于电源三相输出电压不平衡的零序分量产生。变频调速驱动系统中谐波高频成份多，高次谐波分量在定子绕组、电缆和转轴中产生电磁感应，电机内分布电容的耦合作用形成共模回路，产生共模电压高频振荡，并与转子容性耦合，形成转轴对地电压，借助电机轴、轴承和机座等构成回路将产生轴电流[2]。

轴电压不高的时候，电机轴承润滑后形成的一层油膜可以起到绝缘作用，轴电流没有通路。但是当轴电压较高且润滑不充分时，轴电压过高将使润滑油膜击穿放电产生轴电流，并导致发热产生高温烧灼，对轴承内圈、外圈或滚珠产生损伤，形成一些微小区域的凹槽损伤，对于高速旋转的电机来说，将引起异常噪声振动，不及时采取措施将在电机轴承内外圈、滚珠上产生大面积损伤，导致轴承损坏，大大降低电机使用寿命。

图1 变频驱动系统主回路图

2 减少或消除轴电流危害的措施

2.1 轴电压轴电流限值规范

电机运转时都会产生轴电压，变频驱动电机所允许的轴电压或轴电流的大小取决于现场运行环境、安装质量、电机运行状态、轴承状况、油膜厚度和回路阻抗等许多因素。国标《GB/T35714-2017船舶推进电动机》规定：“推进电动机的轴电压峰峰值不应该超过1 V。需要设置绝缘轴承防护轴电压和轴承电流。”西门子电机出厂空载轴电压要限制在350 mV以下，如果超过该值，轴承必须绝缘[3,4]。

实际应用中，对于滚动轴承电机，轴电压大于0.5 V将产生有害轴电流，轴电压大于1 V时，电机轴承可能在运行后1年内就出现明显损伤；对于滑动轴承电机，润滑油膜绝缘效果稍好，轴电压大于1 V时会造成电机轴承明显损伤。某1500 kW、1000 r/min变频电机按国标GB1029所规定的试验方法测量的空载轴电压和负载轴电压分别为0.65 V和2.6 V，油膜电压分别为0.15 V和0.51 V，可以看出，变频电机轴电压还是比较大的，且负载时轴电压比空载时大，实际应用中必须采取措施，以减小或消除轴电流损伤[5]。

2.2 减小或消除变频电机轴电流损伤的措施

轴电压对轴承等造成损害通常需要两个条件：一是轴电压较高；二是是轴承绝缘状态不佳，给轴电流提供了流通回路。轴电压无法避免，避免轴电流损害的重点应该是轴电流治理。对于采用滚动轴承的电机，轴承的润滑脂膜比较薄，并且在刚启动时润滑不充分，对轴电压的作用比较敏感，作为船舶推进变频驱动系统来说，必须采取措施预防轴电流。应合理选用电抗器、d/d滤波器，并考虑屏蔽接地设计。同时，充分考虑变频驱动电缆驻波效应，尽量缩短变频器和电机之间的电缆长度。

电力推进系统（包括推进变压器、变频器、推进电机等）组成设备需进行接地处理，如图2所示。接地点必须采用标准的重载PE电缆，不强求具备高频特性。但是，变频器及电机等必须采用具备高频特性的屏蔽电缆进行连接。变频器与电机之间电缆通常采用屏蔽对称三线三相电缆，同时PE线也需要对称布置，如图3。同时，有效的屏蔽接法是采用EMC填料函、MCT或EMC屏蔽压片使电机PE端和电机接线盒屏蔽母排采用360°可靠接触，如图4。

图2 接地处理

预防轴电流损害最有效的措施就是对变频驱动系统轴承进行绝缘设计。当轴电压高到一定程度时，电机设计时不仅要考虑轴承绝缘，电机辅助装置也要进行绝缘设计。轴承绝缘通常是采取非驱动端轴承绝缘，绝缘设计方案可采用绝缘结构，如轴绝缘、轴承室绝缘、端盖绝缘以及轴承座绝缘等，也可以直接采用绝缘轴承。绝缘轴承方案可彻底防止轴电流电蚀轴承，且安装维护方便。采用绝缘轴承在设计和安装时与普通轴承相同，但成本高，周期长，主要依赖进口，且轴承规格少。采用绝缘结构可选用普通轴承，成本低，生产周期短。但是绝缘结构设计、生产加工复杂，结构处理不当，会造成轴电流电蚀轴承。目前，各轴承制造厂绝缘轴承只是个别定制产品，采购成本高，采购周期长。目前变频驱动电机普遍采取轴承室绝缘结合端盖绝缘，利用端盖与轴承室结合处或与机座结合处绝缘，使得轴承绝缘。

图3 理想对称三线主线芯+对称三线PE线芯

图4 采用EMC压片360°可靠接触

图5 驱动端轴承绝缘及绝缘端盖结构

通过多种轴承绝缘方案的对比，并考虑电机的通用性、经济性、可靠性、工艺性等要求，对推进电动机的端盖进行绝缘设计，我们成功地研制出变频驱动推进电机绝缘端盖，解决了滚动轴承变频驱动电机的轴承绝缘问题。绝缘端盖通过绝缘结构把轴承与机座隔离绝缘，成功阻断轴电流的流通回路。绝缘端盖具有绝缘可靠、结构简单、加工制造容易等特点，可适合不同的滚动轴承结构。

该型绝缘端盖结构简单，绝缘可靠，加工制造容易，能够适合感应电动机的滚动轴承结构，如图5所示。生产完成的绝缘端盖采用1000 V的绝缘表进行绝缘试验，绝缘电阻大于50 MΩ。

而对于采用滑动轴承的电机，通常采用对滑动轴承的轴承座进行内部绝缘的设计方案，并在普通滑动轴承的基础上进行改进，设计出带绝缘结构的滑动轴承，成功解决变频电机滑动轴承的绝缘问题。

另外，还有一种措施就是通过在转轴轴伸端安装接地电刷，确保转轴可靠接地，可以保护轴承免受轴电流损害，如图6。

图6 接地电刷

3 结束语

综上所述，目前船舶推进电机在应对轴电流问题上的措施主要是在接线、屏蔽、接地、滤波器的基础上，考虑绝缘轴承或绝缘结构，从目前多个型号多批次电机应用情况来看，电机和轴承未出现轴电流损伤情况，基本解决了轴电流问题。

[1] 艾波. 永磁同步电机轴电压和轴电流研究[D]. 重庆: 重庆大学，2014.

[2] 柯常国等.电力推进系统控制策略仿真[J]. 船电技术, 2016, 36（4）: 15-18.

[3] 中国船舶重工集团公司第七一二研究所等. 船舶推进电动机: GB/T 35714-2017[S]. 2017.

[4] 西门子（中国）有限公司. SINAMICS S120变频控制系统应用指南[M]. 北京: 机械工业出版社，2014.

[5] 哈尔滨大电机研究所等. 三相同步电机试验方法: GB/T 1029-2005[S]. 2005.

Research of the Shaft Currents of the Propulsion Motor of a Ship

Long Run1, Ke Changguo2

（1. Naval Representative's Office in Xiangtan, Xiangtan 411100, Hunan, China; 2.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM343 TP391.9

A

1003-4862（2019）10-0015-03

2019-03-16

龙润（1987-），男，工程师。研究方向：电气工程。E-mail: 13873202860@139.com