直流无刷电机轴电蚀产生机理及可靠性评价

徐伟堂 吴彬彬

（广东美的制冷设备有限公司 佛山 528311）

引言

BLDC 电机由于其高效率、低噪音、长寿命等优良优点，被誉为21 世纪最有发展前途及广泛应用前景的电子控制电机。永磁无刷直流电动机用电子换向装置替代有刷直流电动机的换向器，保留了直流电动机的优良特性[1]。同时，由于逆变器带来的电机绕组三相不平衡，产生的共模电压，在轴承内外圈产生轴电压也不容忽视。当轴电压高于轴承油脂击穿电压阈值时，产生油膜击穿放电，进而产生放电电流，从而带来轴承沟道和滚珠损伤，这种损伤称为轴电蚀（高频电蚀）[2]。这种现象在家用电器和工业发电机等变频控制电驱动电机中越来越普遍。随着国内变频化进程的进一步加快，对直流电机产品需求日益增长。新能效标准颁布实施后，进一步推动变频结构的再次大幅度提升，空调直流电机占比也将相应得到大幅提升。这对直流电机轴电蚀问题也提出了更加严峻的考验。

本文基于对BLDC 电机逆变器驱动电路分析，轴电压产生机理，结合电机内部杂散电容搭建共模等效电路，进而解析轴电蚀产生机理。同时提出轴电流和放电率可靠性评价方法和测试方法来完善对于轴电蚀的可靠性评价，完善当前行业内单独采用轴电压单一的评价指标。

1 轴电蚀产生机理

1.1 逆变器驱动电路模型

变频驱动电机采用变频电源供电，通过控制芯片发出PWM 脉冲，驱动逆变器开关管导通、断开，使得逆变器输出一系列等高不等宽的电压脉冲，等效代替正弦波电压，从而达到调频调速目的[3]。等效电路如图1所示。

图1 PWM 变频驱动电机驱动电路

其中N 为电机三相星形绕组的交点，Vcom为三相绕组的星形点对地电压，即共模电压。由于PWM 逆变器供电，即脉冲宽度调制方式时，逆变器6 个IGBT 按照一定的规律开通、断开，变频器输出一系列等幅不等宽的脉冲。为了防止桥臂贯穿，同一桥臂上下管不会同时导通。此时，因此Vcom任意时刻都不等于零[4]。

1.2 轴电蚀产生机理

共模电压在电机内部寄生电容耦合作用，在轴承内外沟道之间感应出电压[5]。电机中存在以下几类耦合电容，Csb为中性点和端盖之间的电容，Cs为中性点和定子铁心之间的电容，Cg为定子铁心和磁瓦之间的电容，Cm为中性点和磁瓦之间电容，Cmg为磁瓦本身电容，Cb为轴承等效电容，Cn为端盖和逆变器之间的电容，Csn为转轴和逆变器之间的电容。电机内部简易共模等效电路图如图2所示[6]。

图2 电机简易共模等效电路图

在大多数工况下，寄生电容的存在影响不大。而逆变器的载波频率为几kHz 到几十kHz。逆变器开关管的快速通断导致共模电压的快速变化，电压的快速变化产生了高频电流，高频电流流过各寄生电容，产生轴电流[7]。轴电流一般有三种：金属接触流通电流、容性轴电流、油膜击穿放电电流。一般来说，金属接触流通电流和容性轴电流为几mA，对引起轴电蚀的可能性较低。当轴电压超过润滑油膜击穿电压阈值时，油膜击穿，产生放电现象，放电时伴随很强的热效应从而造成电腐蚀损伤轴承滚珠和沟道。

2 轴电蚀评价

2.1 轴电压

当前家用空调行业内整机厂及电机厂商普遍使用轴电压数值为判定依据，认为轴电压越高，轴电蚀风险越大。但是实际使用过程中发现，单一的轴电压数值评判对轴电蚀的风险貌似并不全面，例如陶瓷轴承轴电压远高于一般滚珠轴承电机，但是陶瓷轴承电机并未出现过轴电蚀问题。

本文基于塑封直流无刷电机进行研究，电机为8 极12 槽，输出功率为13 W，前后端盖轴承为608 轴承，轴承油脂基础油运动粘度为26 mm2/s，逆变器载波频率为18 kHz。建立无刷直流电机的耦合电容组合如图3所示。

图3 电机内部寄生电容组合

根据电机内部寄生电容组合模型建立电机驱动和共模等效电路图如图4所示。

图4 电机简易驱动电路和共模等效电路图

通过共模等效电路可知，Cb为轴承等效电容，轴承内外圈之间电压即为轴电压，可以通过示波器进行方便监测。

2.2 轴电流和放电率

根据轴电流的类别可知：金属接触流通电流和容性轴电流为几mA，对引起轴电蚀的可能性较低。因此，引发轴承电蚀风险根本原因在于当轴电压超过润滑油膜击穿电压阈值时，油膜击穿，产生放电现象，此时放电电流才是引发轴电蚀的根本原因。放电时伴随很强热效应从而造成电腐蚀损伤轴承滚珠和沟道。

偶然的、短期的大电流虽然会引发很强的热效应，但是危害是有限的。只有频繁的、多次的能量累积产生的较强的热效应才会导致轴承内外圈产生损伤。鉴于此，提出放电率一概念：一定时间内，每次捕捉到的击穿放电次数与该段时间内可能发生的击穿放电次数的比值，称之为放电率。

由上两式可得：

式中：

∆T—监测时间（ms）；

n0—∆T 时间内放电次数；

N0—∆T 时间内理论下可能发生放电次数；

τ—放电率；

fc—载波频率（kHz）。

3 测试方法

3.1 轴电压测试方法

通过驱动器给无刷直流电机供电使电机达到恒定转速为1 000 r/min，利用示波器（型号：YOKOGAWA DLM3034）和差分探头（型号：YOKOGAWA 701927）对普通滚珠轴承和陶瓷轴承的不同13 W 样品进行轴电压测试，测试结果如表1所示。

由表1可知：陶瓷轴承轴电压接近20 V，而普通的滚珠轴承轴电压7 V，陶瓷轴承轴电压远高于滚珠轴承电机。但是实际使用中，陶瓷轴承电机未发生电蚀问题，而滚珠轴承电机轴电蚀现象则时有发生。

表1 陶瓷轴承和滚珠轴承样品轴电压对比

3.2 轴电流和放电率测试方法

由轴电流产生机理可知，当轴电压超过润滑油膜击穿电压阈值时，油脂击穿，电流流过。为了测试流经轴承内部轴电流大小，针对电机样品进行特殊处理：在轴承外圈和轴承室之间放入一层厚度适宜的绝缘胶布，隔断轴承和端盖，利用一根短导线作为新路径替代流经轴承的电流路径，见图5所示。

图5 轴电流路径图

通过驱动器给无刷直流电机供电使电机达到恒定转速为1 000 r/min，利用示波器（型号：YOKOGAWA DLM3034）和差分探头（型号：YOKOGAWA 701927）对普通滚珠轴承和陶瓷轴承的不同13 W 样品进行轴电流和放电率测试，测试结果如表2所示。

由表2可知：陶瓷轴承轴电流远低于滚珠轴承，同时监测放电率为0，普通滚珠轴承样品的放电率达到87 %。由实验结果可知，轴电流和放电率越高，放电越明显，引发轴电蚀更加明显。测试结果与实际情况可以准确契合，所以引入放电率一评价指标可以有效、正确评估对轴电蚀风险。

表2 陶瓷轴承和滚珠轴承轴电流和放电率对比

4 结论

本文分析了塑封直流无刷电机轴电蚀产生机理，并建立了共模等效电路图模型，针对轴电压检测方法粗糙及评价效果不准确，提出轴电流和放电率的评价方法。一定时间内，每次捕捉到的击穿放电次数与该段时间内可能发生的击穿放电次数的比值，称之为放电率。同时通过对电机轴承和端盖进行特殊处理，可以进行监测轴电流和放电率，通过实验结果发现：陶瓷轴承虽然轴电压远高于滚珠轴承电机，但是轴电流远低于滚珠轴承电机，同时放电率几乎为零，与事实相符。由此可知，轴电流和放电率可以直接有效的评判轴电蚀的风险。