异步电动机轴电流的危害和预防

杨国炯，梁建勇

洛阳源创电气有限责任公司 河南洛阳 471000

随 着控制技术和电力电子技术的发展，变频器在矿井提升机上的应用也得到了普及[1]。由于节能环保的要求和技术性能的提高，越来越多的转子串电阻拖动方式被淘汰，变频器拖动异步电动机[2-3]的驱动方式的使用越来越普遍。在异步电动机使用过程中，如果轴承两端或电动机转轴与轴承间存在轴电压，随着电压的升高，将击穿绝缘体，形成轴电流。轴电流破坏电动机的机械性能和电气性能[4]，使电动机出现发热、螺丝松动、焊点开裂、异响、强烈振动等异常现象。在轴电流的持续影响下，电动机轴承的使用寿命将大大缩短，甚至损坏轴承或电动机的其他重要部位。由于变频器输出必定有谐波存在，更加剧了轴电流对电动机的影响。当电动机运行异常时，可能会被误认为是变频器异常导致的，在变频器上查找问题，延误了问题的解决。

1 案例分析

河南某煤矿主井提升机控制系统原采用转子串电阻调速装置，该控制方式存在调速精度差、故障率高、能耗高等弊端，后将该控制系统改造为变频器拖动方式。主井提升机电气设备的主要参数如表 1 所列。

表1 主井提升机电气设备的主要参数Tab.1 Main parameters of electric equipments for mine hoist

1.1 问题的产生及排查

提升机控制系统改造调试完毕后，各项性能满足要求，运行安全可靠。但设备使用一年半后，出现变频器故障频繁、电流波动变大、电动机声音变大及振动等异常现象，且随着时间的推移，异常现象越来越明显，严重影响煤矿的正常生产，遂对异常原因进行排查。

(1) 在保证安全的前提下，拆掉变频器输出端到电动机的输出电缆并可靠固定，全面检查变频器各部件及附件，均未发现异常。给变频器送电，其各部分显示正常，启动变频器，发现电压、电流、频率等性能均满足要求。可以判定，变频器运行正常，问题出在电动机或其他附属机构。

(2) 做好安全防护，保证滚筒等机械设备可靠固定的前提下，打开电动机和减速机的连接器并可靠固定，保证电动机可以安全转动。连接电动机和变频器输出电缆，变频器带动电动机运行。电动机转动时有周期性的响声，随着转速的升高，声音变得尖锐，变频器报警停机。更换一台同型号新电动机后，各频率段运行正常，异常现象均未出现。

(3) 打开故障电动机外壳，检查其内部结构，发现转子滑环有大幅明显晃动。拆开滑环发现有轴电流放电痕迹，如图 1 所示。将转子从电动机中移出，逐一检查电动机外壳与横梁、定子、转子等结构件，发现由于电动机长时间的振动，导致横梁上的固定焊点有多处开裂，如图 2 所示。

图1 轴电流放电痕迹Fig.1 Current discharging marks on bearing

图2 电动机横梁固定焊点开裂Fig.2 Breaking of fixed weld joint on beam of motor

1.2 解决方案

(1) 更换新的电动机轴和轴承，加注足量合格的润滑油，保证主轴有充足的润滑油膜保护。在轴伸出端的轴承座和轴承支架处增加绝缘隔板，切断轴电流的回路；在变频器输出端增加电抗器后连接电动机。

(2) 重新焊接电动机横梁所有的固定焊点，保证电动机主体结构的稳定可靠。

(3) 在轴伸出端安装接地碳刷，使其可靠接地并与转轴接触，保证转轴与大地同电位。

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(4) 整理电动机测温线等辅助接线，保证绝缘体可靠；定期检查并加强导线或垫片绝缘体，消除不必要的轴电流隐患。

(5) 定期检查并更换润滑油；定期检查电动机结构件及焊接点；定期检查接地碳刷磨损情况，并及时更换。

通过以上措施，恢复了现场电动机的正常工作状态。设备至今已正常运行 2 a 多，也证明以上措施的针对性和正确性。

2 轴电压、轴电流的产生

根据电磁感应现象，闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动，就会产生感应电流。如果电路不闭合，则会产生感应电压。

2.1 轴电压的产生

轴电压是电动机转轴与轴承间或电动机轴承两端所产生的电压。轴电压产生的主要原因有以下几方面。

(1) 磁不平衡 电动机轴承、转轴、定子、机座等结构件组成回路，造成磁路中磁阻不平衡。转轴被交变磁通切割，在轴的两端感应产生轴电压。

(2) 变频供电 采用变频器驱动时，由于变频器利用半导体功率器件 IGBT，其高频载波的方式产生正弦波，供电时有高次的谐波分量，在谐波分量的影响下，接线部分、定子绕组线圈端部、转动轴之间产生电磁感应，从而产生轴电压。

(4) 干扰电源 由于运行环境接线比较复杂，尤其是电动机保护、测量元件接线很多，带电线头搭接在转轴上，会产生轴电压。

2.2 轴电流的产生

轴电流的形成条件是产生轴电压、构成闭合回路。电动机结构复杂，内部存在等效电容，变频器中半导体元件的高速开关在等效电容上产生高速变化的高频感应电压。电动机内部各部位等效电容如图 3 所示，等效电路如图 4 所示。

图3 电动机内部各部位的等效电容Fig.3 Equivalent capacitance diagram of each part inside motor

图4 电动机内部各部位的等效电路Fig.4 Equivalent circuit diagram of each part inside motor

图中，Cwh为定子绕组与电动机壳之间等效电容；Cwr为定子绕组与电动机转子之间等效电容；Crh为电动机壳与转子绕组之间等效电容；Cb为电动机壳与轴承两端之间等效电容。

在轴承润滑正常的条件下，润滑油膜可起到绝缘作用，这个等效电路就是正确的。在轴电压较低的情况下，润滑油膜仍保持其绝缘性能，不会产生轴电流。但当轴电压过高时，润滑油膜被击穿，构成轴电流回路。电动机壳与轴承两端表现为非线性阻抗特性，电压在等效电路上产生轴电流。

3 轴电流的危害

轴电流加速轴承润滑油的老化，润滑油膜的绝缘失效后，轴电流从转轴和轴承的金属接触点流过。由于轴电流流过的接触面一般都很小，所以接触点的电流密度很大，放电瞬间产生较高温度，将轴承局部熔化。频繁的轴电流所导致的痕迹在轴承上累积，产生密密麻麻的小坑。运行时间越长，伤痕越多，轴承转动阻力变大，温度升高，加剧了轴承的磨损。如不及时处理，可能导致轴承损坏，给安全生产带来很大的隐患。

轴承受损后，电动机中心出现微小的偏摆，运行稳定状态被打破。长时间的偏摆加剧了电动机的损坏，电动机可能产生噪声、振动等异常现象，强烈的振动甚至导致焊点开裂。

如果电动机外壳接地较差，变频调速系统中高频“泄漏电流”遇到接地系统与电动机壳之间的较大电阻，将产生一个更大的电压。这个电压不仅破坏电动机轴承，而且破坏减速器或从动机的轴承。

4 轴电流的预防

针对轴电流形成的常见原因，可以采用以下措施进行预防。

(1) 设备安装时要符合电气规范要求，采用标准的接地方式，保证各个部件可靠接地，变频器输出端增加电抗器后连接电动机。

(2) 在轴承座和轴承支架处加强绝缘，或采用特殊工艺制造绝缘轴承；定期检查并更换轴承润滑油，以切断轴电流的回路。

(3) 在轴端安装接地碳刷，使接地碳刷可靠接地，并且与转轴可靠接触，保证转轴电位为零，消除轴电压，避免产生轴电流；定期检查并更换磨损的碳刷。

(4) 定期检查并加强垫片或导线绝缘，以免产生轴电流隐患；增加轴承测温装置。

5 结论

由于变频器和异步电动机的众多优点，它们在矿井提升机等工业现场的大量应用是大势所趋。异步电动机轴电流是一个客观的存在，变频器的谐波更加剧了轴电流对电动机的影响，了解电动机轴电流产生的原理，合理的预防措施能够避免轴电流对电动机的损害，提高异步电动机运行的稳定性，避免产生较大的经济损失。