電機軸承電腐蝕如何預防？
2024-11-13
由于軸電壓的存在，軸承外圈和內圈是存在電勢差，這就導致軸電流存在。由于軸電流是造成軸承電腐蝕的關鍵因素，因此如何控制軸電流就是預防軸承電腐蝕的關鍵，下面介紹一些預防軸承電腐蝕的方法，大致歸為“消除電勢差”，“軸承絕緣”，“減小共模電流”。
01 消除電勢差
消除電勢差主要目的是讓軸的電勢與端蓋的電勢一樣，這樣軸承內外圈的電勢一樣，理論上也就不存在軸電流(實際上還是會有，因為軸與端蓋不可能做到0阻抗)，下面列舉幾個以該方式預防軸承電腐蝕的案例。
下圖為特斯拉預防軸承電腐蝕專利，目的就是消除軸與端蓋的電勢差，目前大多數方案都是按照這個變形而來，主體是由一個導電滑環（阻抗較低），導電彈片組成。其中滑環外圈隨著軸轉動，內圈不動，通過導電彈片使得軸的電勢與端蓋相同，減小軸電流（由于導電滑環還是有阻抗的，因此電勢不是完全相同）。
圖1 特斯拉方案
由這種方案延伸而來的有長安的方案和華為的方案，如下圖為長安預防軸承電腐蝕方案，裝置與原理與特斯拉相似，不同是特斯拉安裝在軸內，長安安裝在軸外側，其中7為導電軸承（外圈不動，內圈動），8為類似特斯拉的導電片。
圖2 長安方案
華為的方案如下，與特斯拉相似，都是軸內部集成導電滑環，不同點就是將導電片換成有導電柱與導電片的的組合，這種方案較特斯拉相比接觸面積變大了，阻抗相比特斯拉較小，應該效果更好（可惜沒看到實物）。
圖3 華為方案
當然最近看到了一個有意思的方案，這個方案用導電油封代替滑環+導電片的組合。如下圖，4為導電油封，4.2是導電部分，4.2.2是油封與軸接觸的部位，4.2.1是油封與端蓋接觸的部位。這個方案原理與之前相似，但是因為軸與油封相對運動，導致阻抗比前幾種高，能減少的軸電流還是有限，且耐久性還有待考驗。
圖4 導電油封方案
那有個問題，如果直接把主軸軸承換成導電軸承，不也可以實現將軸與端蓋"導通"，實現消除電勢差。理想是豐滿的，實際中即使導電軸承是存在較大阻抗的，導電軸承的方案軸電壓是有下降，但是下降幅度遠遠不及上述方案，因此在800V平臺只上導電軸承恐怕是遠遠不夠的。有的設計方案考慮只用電刷，如下圖，導電環放置在端蓋處，電刷與軸接觸末端接觸。
圖5 電刷方案
該方法也是旨在導通軸與端蓋，與上面只有導電軸承對比，其效果還是很明顯有較大的提升，但是該方案穩定性還有待考驗，作者測了做過幾輪PTCE的樣機，軸電壓還是有著明顯的上升（20個cycle后，軸電壓大概從5V左右升到10V）。
圖6 電刷與導電軸承軸電壓對比
以上方法原理總結下來就是：軸與端蓋導通，且導通的阻抗要竟可能低，上述方案效果華為，特斯拉，長安，電刷的方案都比較不錯，其中華為方案是我覺得最好的，但是成本來講華為成本就比特斯拉和長安高出不少，這也應該是華為沒上這個方案原因之一吧。
02 軸承絕緣
除了消除電勢差，在電機中使軸承“絕緣”，可以中斷或減少軸承電流。下圖所示為不同的軸承絕緣，從左到右依次為陶瓷球軸承、端蓋軸承座絕緣。
圖7 軸承絕緣方案
如果考慮用陶瓷球軸承，那么就不存在電腐蝕了，但是這個成本比普通球軸承要貴上6~10倍左右（批產價格，樣件更貴），一臺電機配2個，這種成本提升是巨大的。如果考慮軸承座絕緣，要考慮以下幾點：
絕緣軸承座與端蓋本身的安裝配合：一般絕緣軸承座是陶瓷材料，屬于脆性材料，這就導致與端蓋配合上需要考慮好過盈尺寸，過小則無法承受大扭矩，過大則軸承座在安裝過程中容易裂開。
絕緣軸承座與軸承的導熱問題：由于材料不同，軸承與絕緣座的熱膨脹系數不一樣(一般鋼材比陶瓷熱膨脹系數高)，在電機運行時軸承與軸承座的過盈量會發生變化，如果超過臨界則會導致失效。
因此計算好過盈量是軸承座絕緣的重要一環。減小共模電流以上兩種是針對電機的改進，如果降低軸電壓也可以考慮降低逆變器的共模電壓。這種電壓可以用共模濾波器來降低，磁環是一種典型的共模濾波器，如果在逆變器三相輸出端加上共模濾波器，則三相輸出的母排中流動的共模電流會在磁環中產生一個磁場，該磁場可阻止共模電流的變化。設計參數就是電感和電容值。
圖8 共模濾波器
目前該方案目前成本比較高（目前逆變器直流輸入端會有濾波器，成本大概100-200左右），并且比較占空間。不過是個很不錯方案，而且對比測試也很好做。
可以看到作者在大篇幅的描述消除電勢差的方案，因為作者認為該方案的效果+成本是最優的選擇，當然方案可能不止這些，但是思路總是一樣的。
內容來源自【RIO電驅動】公眾號
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