轴电流防治措施在EMC领域的研究与分析

殷广，朱晨迪，余旭东

大连理工大学宁波研究院，浙江宁波 315016

0 引言

现代的变速驱动器拥有越来越高的电压脉冲，这些高整流频率的高压脉冲会导致高电流脉冲通过轴承。反复的高电流流经电机轴承会逐渐烧蚀轴承座圈，因此研究轴电压(流)有着很重要的意义。电机在正弦波电源驱动下运行时，通过电机轴的交变磁链产生轴电压。该磁链是由转子和定子槽分离铁芯片之间的连接部分，磁性材料的定向属性和供电电源不平衡等因素引起磁通不平衡而产生的，例如,磁路不对称、电容电流、静电效应、静态励磁系统、外壳和轴等的永久磁化均有可能引起轴电压。在轴电压波形中，存在许多复杂的谐波脉冲分量，这些谐波分量会伤害到电机轴上的绝缘油膜。若轴电压超过轴承油层击穿电压，则在轴承上会形成很大的轴电流。该电流会烧蚀轴承部件，造成很大危害。最本质避免轴电流的方法是提供合适的接地路径且让离散电流回到变频器，从而使得电流避开轴承。本文在车身搭建不同的接地路径，通过监测EMC试验室中不同的辐射发射噪声效果，来探讨如何减少轴电流带来的影响。此外,使用对称的电机电缆或变频输出滤波器可以减少轴电流的大小，合适的绝缘电机也可以阻断轴电流的路径。

1 轴电流的危害及预防措施

在电机运行的过程中，转轴两端之间或者轴与轴承之间产生的电位差叫作轴电压。若轴两端通过电机机座等构成回路，则会形成轴电流。一般工频电机轴电压产生的原因是磁通脉动。若设计运行均正常的电机，转轴两端电位差很小，其危害较小。

PMSM电机中的轴电压主要是由于电源三相输出电压的矢量和不为零的零序分量产生。变频器PWM脉宽调制导致调速驱动系统中高频谐波成分增多。这些谐波分量在转轴、定子绕组和电缆等部分产生电磁感应，通过电机内分布电容的电压耦合作用构成系统共模回路。此时电机中会产生阻尼力矩，增加电动机转子中的热损失，造成电动机温升增高，噪声增大，严重时会烧坏电动机。

轴电流是轴电压通过电机轴、轴承、定子基座或辅助装置构成闭合回路产生的。在正常情况下，电动机的轴电压较低，轴承内的润滑油膜能起到绝缘作用，不会产生轴电流。但当轴电压较高或电机起步瞬间油膜未稳定形成时，轴电流能击穿轴与轴承之间的油膜，产生放电现象。放电时产生的高温可以融化轴承内圈、外圈或滚珠上的许多微小区域，并形成凹槽。这些危害会使电机产生噪声、振动，严重时会烧毁轴承。因此采取必要的防范措施，对提高电机的使用寿命能起到很好的帮助作用。

轴电流是伴随装备的设计、制造、安装以及运行而产生的，对于用户而言，一般无法完全避免。如果要减少轴电流对轴承的危害，就要破坏如图1所示的电流回路，主要有以下两种方案：

(1)采用陶瓷球轴承，轴承内外圈表面镀层和在端盖处使用绝缘盖板，来阻断轴电流回路。

(2)采取安装转轴接地电刷、毛刷式接地环、双油封导电环、导电密封圈轴承以及弹簧顶针等有效措施，使得端盖、壳体与轴形成等电势面。

图1 轴电流在电机中的回路示意

2 试验流程

以沃尔沃某四驱型试验车作为研究对象，在电磁兼容性的宽带测试时，表现为整车辐射发射的噪声过大。在对比IEM驱动模式、发动机驱动模式、IEM-standby&Tq0Nm及电池包不同电量下的测试结果后，判断IEM产生的轴电流为干扰源头。

为了研究轴电流及整车辐射发射量过大问题，试验中会在车身不同结构处采取多种整改措施，例如， 在各结构处采用磁环、搭接不同的接地点、PCB-Filter以及轴接地等。通过在EMC试验室中监测整车的辐射发射测试结果来确定哪些措施可以对轴电流起到有效的抑制效果。

EMC国标34660测试的流程为：①采用所有有效措施，使得整车辐射发射值低于国标要求。②在上一步措施中，去除轴接地措施，用来验证此项措施的影响。③在上一步措施中，去除轴磁环，用来验证此项措施的影响。④在上一步措施中，去除电机到车身和IEM到车身的接地线，用来验证此项措施的影响。⑤在上一步措施中，去除PCB-Filter，用来验证此项措施的影响。⑥在上一步措施中，电机左右轴接地，半轴加磁环，用来验证此项措施的影响。⑦在上一步措施中，去除半轴磁环，用来验证此项措施的影响。⑧在上一步措施中，仅左轴接地，用来验证此项措施的影响。⑨在上一步措施中，加半轴磁环，用来验证此项措施的影响。

具体的试验流程及总体效果见表1。

表1 试验流程及总体效果

3 试验数据分析

按照上述试验流程，试验车会在EMC试验室中进行GB34660的整车辐射发射试验，辐射发射的采集点为车头处。测试时，试验车将在试验室轮毂上运行，重点测试工况为车速40 km/h。试验车的运行模式为IEM后驱电机驱动，IGM前驱电机进入Standby模式。具体的试验结果如图2至图10所示。

图2 所有有效措施均采取的辐射发射结果

图3 去除轴接地措施辐射发射结果

图4 去除轴接地和轴磁环的辐射发射结果

图5 去除电机到车身和IEM到车身接地线的辐射发射结果

图6 去除PCB-Filter的辐射发射结果

图7 增加左右轴接地和半轴磁环的辐射发射结果

图8 增加左右轴接地去除半轴磁环辐射发射结果

图9 仅左轴接地且去除半轴磁环的辐射发射结果

图10 仅左轴接地增加半轴磁环的辐射发射结果

对比图2至图10的EMC辐射发射结果，可以得到以下结论：①由图2可以看出，只有对电机轴进行轴接地，轴上套磁环以及增加PCB-Filter滤波板这些方式的处理，才能大大降低轴电流对电机的影响，使得EMC整车辐射发射的测试结果在全频段(30～1 000 MHz)能够满足国标的限值要求，此时噪声裕量有9.89 dB。②由图3与图4可以看出，在电机轴上搭建接地线与在轴上套磁环这两种措施对轴电流的辐射发射噪声抑制有着较大的贡献。其中搭接轴接地线的贡献在于能在高频率段(200～1 000 MHz)抑制轴电流的噪声，该措施能提高大约2.57 dB裕量。若再去掉套在电机轴上的磁环，可以看到轴电流的噪声测试结果会严重超过国标的限值要求(超标约4.6 dB)。③对比图5和图6的测试结果可以看出，使用PCB-Filter滤波板在电机内部对轴电流起到了更好的滤波作用，尤其是在300～1 000 MHz的频率段，该措施可以大大降低在该频率段由电机轴电流产生的辐射发射噪声。若无滤波板，试验车的辐射发射噪声将超出国标限值5 dB。④对比图7与图8以及对比图9与图10可以看出，在电机轴加上磁环这项措施可以微量抑制轴电流在30～100 MHz频段内带来的噪声影响。该措施能提升1.9～2.5 dB的裕量，且具有很强的应用可行性。⑤对比图7与图10以及图8与图9可以看出,在电机左右轴均加上磁环的措施比仅在左半轴加磁环的措施更能抑制轴电流的辐射发射噪声影响。该措施能提升0.5～1.5 dB的裕量，且具有很强的应用可行性。

4 结束语

针对因PMSM电机轴电流带来的整车辐射发射问题，提出了抑制轴电流的可行性防治技术并加以实施。试验结果表明，电机轴接地和在电机轴上增加磁环能够在全频段上有效抑制轴电流产生，此外还发现PCB-Filter滤波板能够在高频率段对轴电流产生很好的抑制效果。相关研究具有很强的工程应用价值，能够为整车开发企业处理类似问题提供可供借鉴的方法和手段。