收稿日期:2002-11-20于晓东 男 1974年生;毕业于佳木斯大学工学院电气工程系电气技术专业,现从事电气技术工作.变频电机轴电流的防止于晓东1李振宇2李积继31佳木斯合成实业有限责任公司,黑龙江佳木斯(154007)2东芝大连有限公司,辽宁大连(116600)摘 要 阐述采用逆变器供电的变频电机,因电源存在许多高压脉冲,高频谐波增多,以及电动机铁心磁路不平衡等,在电机绕组和转轴上产生感应电压。
为减少轴电流的危害,除电机制造需满足磁路平衡外,提出加装电源滤波器,前后轴承都要绝缘处理等防止变频电动机轴电流危害的措施。
关键词 变频电动机 轴电流 防止Prevention of Bearing C urrent in Variable Frequency MotorY u Xiaodong ,Li Zhenyu ,and Li Jiji Abstract The paper discusses that,for the variablei frequency motor fed from the inverter,inducted voltage appears at the winding and shaft because the power supply has many high voltage pulses,the high frequency harmonic increas es,and the magnetic circuit of motor core is not balance.To decrease the harm caused by bearing current,some measures,such as mounting the power filter and insulating the front and rear bearings are presented,in addition that the magnetic circuit is required to be balance in manufacturing the motor.Key words Variable frequency motor,bearing current,prevention.1 引言通常在大型电机中特别是采用扇形冲片迭制铁心的电机,如果磁场不对称等易产生轴电流。
近年来采用变频调速驱动装置的小电机也出现不容忽视的轴电流,导致小电机的轴承过早损坏,直接影响和降低了电动机运行的可靠寿命,引起电机用户和电机制造厂商的关注。
2 轴电流的危害变频电机轴端安装的辅助装置如测速计、编码器等,易与两轴承或两轴承之一构成轴电流回路(见图1轴电流数学模型图)。
该轴电流对电机轴承造成破坏,对测速计、编码器等辅助装置的安全构成威胁。
图1 轴电流数学模型在电机正常运转情况下,轴承内形成一层润滑油膜,能起一定的绝缘作用,即使电机运转出现较低的轴电压,也不会产生轴电流。
但是当轴电18防爆电机 (E XPLOSION-PROOF ELEC TRIC MAC HINE) 2003年第2期(总第115期)2003年6月30日出版压高到一定数值时,将会击穿油膜而放电。
尤其是在电动机启动时,轴承内的润滑油膜还未稳定建立,瞬即产生的轴电压将击穿油膜的薄弱部位放电,形成轴电流。
当放电部位的金属接触点很小时(特别是滚珠轴承),则流经这些点的电流密度就会很大,在瞬间产生高温,使轴承局部烧伤,在滚珠或滚道上烧出小凹坑。
如果长期有轴电流,小凹坑麻点就会增多,滚动轴承的滚道上甚至出现凹槽,或灼伤滑动轴承的轴颈和轴瓦甚至轴承完全损坏,从而产生噪声、振动或停机。
爆炸性危险环境运转的电机,过大的轴电流产生的过热或火花,将可能引发爆炸等恶性事故。
电动机所容许的轴电压、轴电流的大小与轴承类型、运行状态、润滑油质、转速、安装质量、现场运行环境和轴电流流经路径的阻抗等许多因素有关。
几乎所有的电机运转时或多或少都会产生轴电压,一般来说,若轴两端产生的轴电压达到500m V,就容易产生有害的轴电流,美国NEMA MGI标准规定,按IEEE112标准进行试验,如果轴电压峰值大于300mV时即需采取绝缘措施。
轴电流的大小对滑动轴承和滚动轴承的影响略有不同,对滑动轴承而言,若轴电流小于10A,基本无烧蚀,轴电流值达10~40A,则只能维持运转3000~12000h,若轴电流高达100A以上就非常危险,可能数小时内将会烧毁。
对滚动轴承而言,由于滚珠(滚柱)与轴承内外圈滚道的接触面积小,对轴电流的敏感比滑动轴承更大,轴电流给滚动轴承造成的损伤及破坏更厉害。
当轴电流大于2A时,几小时内即可能损伤;若轴电流达1~1 4A,轴承只能继续运转200~700h;轴电流只有低于1A时,一般滚动轴承才能无大伤害的运行。
3 变频电动机轴电压、轴电流的产生(1)变频电动机是由逆变器提供电源,逆变器部分多采用脉宽调制技术(PW M),电压波形存在许多高压脉冲,致使调速驱动系统中高频谐波成分增多,这些谐波分量在转轴、定子绕组和接线部分等产生电磁感应,绕组中点电位可能远离接地点,这种共模电压以高频振荡并与转子容性耦合,产生转轴对地的脉冲电压,峰值可达10~40V[2]。
(2)电动机的铁心磁路不平衡,如整圆定子冲片各向厚度不均匀,使定位迭压后整个定子铁心累计厚度出现一边厚、一边薄或一边松、一边紧,造成定子铁心圆周磁路不对称,采用扇形冲片以及铁心槽、通风槽不适当等也会造成磁路不对称,当不对称的磁场切割电机转轴时,就在轴两端感应出轴电压。
(3)电动机运行现场如果电机周围有较多的高压设备,那么在这些强磁作用下,电动机转轴两端也会感应出轴电压。
(4)外部电源的介入。
由于电动机运行现场接线一般比较繁杂,如电机的保护和监控检测元件,辅助装置的测速计、编码器、冷却风机等,任何一根带电导线塔接到转轴上都可能造成轴电压的产生。
有轴电压的电机转轴,一旦与电动机壳体,如轴承润滑油膜被击穿和测速计、编码器等辅助装置或联轴装置等构成回路(见轴电流数学模型图)就产生具有破坏性的轴电流。
4 变频电机轴电流的防止4 1 抑制电源谐波采用逆变器供电的调速系统加装滤波器或配套的变频调速装置加设共模滤波电路,提供高质量的正弦波电源,以降低谐波、减少轴电流、噪声、振动和电机温升,延长轴承、绕组和电机的寿命,确保电机轴承和测速计、编码器等辅助装置的安全。
4 2 两端轴承都采取绝缘措施如果变频电机轴头安装有如测速计、编码器等辅助装置时,不但电动机非传动端轴承需采取绝缘措施,传动端也需进行绝缘,以切断轴电流通过传动端轴承构成回路(见图1)。
采用滚动轴承结构的轴承应选用绝缘轴承,也可在轴承内圈内表面和端面用等离子喷涂法均匀喷涂50~100 m高性能绝缘层,也可在轴承外圈外表面和两端面上喷涂绝缘层,但外圈的绝缘层在拆装端盖时易受划伤,从而丧失绝缘能力。
也可在端盖轴承室加套,套与端盖间夹垫绝缘层,紧固内外盖的螺栓加绝缘套管和绝缘垫等,这种结构和工艺都相对复杂。
采用滑动轴承的结构,采用传统方法是在固192003年第2期(总第115期)2003年6月30日出版(EXPLOSI ON-PROOF E LEC TRIC MAC HI NE) 防爆电机定轴承部位加垫环氧玻璃布板等。
进出油的管道加绝缘管接头[1]。
4 3 电机设计和制造采取的措施(1)采用滚动轴承结构的电机转轴的前后轴承台及其轴肩采取绝缘措施,如等离子均匀喷涂50~100 m 厚的高性能耐热陶瓷绝缘层。
(2)电机设计和制造方面力求电机磁路要达到基本平衡,如整圆冲片的铁心迭制可将各向厚薄不均的冲片转120 迭制。
采用扇形冲片时,按电机的极数p 、每一圆周的张数t 、循环交错迭片的循环层数n ,需满足q =ntp =偶数或分子为偶数的最高单分数[1]。
4 4 连轴采取绝缘措施为了提高辅助装置的安全度,切断电动机的轴与负载机械、连轴辅助装置如测速计、编码器之间形成轴电流的通路(见图1),还必须采取一些特殊措施,如直接联接在电动机轴上的连轴宜加以绝缘等。
4 5 监测线路加强绝缘为了避免变频电动机各监测装置和辅助装置的导线绝缘破损造成的轴电流,现场运行及维修人员需经常细致检查并加强其绝缘,以消除不应有的轴电流隐患。
4 6 改善电机运行环境电动机运行现场应与高压强电场设备保持适当距离,避免在电动机旁边进行不适当的接地电弧焊,消除在生产过程中产生的静电,减少对电机磁平衡的干扰。
4 7 运行辅助措施现场运行的电动机,若出现较大的破坏性轴电流或周围环境潮湿的中大型电动机,如上述各绝缘措施因故不便实施或达不到要求时,可在电动机两端轴承的内侧加装接地电刷[1],将轴电流导入地中,避免电动机轴承烧坏,保护辅助装置和监测装置的安全。
5 结束语一般根据变频电动机电源供电的品质、电机大小、轴承类型、联轴装置、监测装置和电机运行环境以及变频电动机的轴电压大小等具体情况分别采用以上措施就可以减少轴电流的危害,延长轴承的运转寿命,提高变频电动机运行的可靠性。
参考文献[1] 陈世坤 电机设计.北京:机械工业出版社,1992 10[2] 梁庆信译自 PT design ! 感应轴承电流 中小型电机 2002 3(上接第13页)3 3 结构设计因为内反馈串级调速电机有着调速节能的优点,正不断地被广大用户采纳,它的结构和标准的绕线型异步电机大体是一致的,只是定子多了一套三相对称绕组如图5,电机采用标准机座,采用外滑环(集电环在机座的外侧)。
另一个设计重点是调节绕组和主绕组的固定,既要绑端箍,还要考虑接线。
调节绕组和主绕组的接线方向相反,因为两线圈高度的不同,主绕端箍支承必须做成一个L 形,给调节绕组接线让出一定的接线空间,当下线时,先将调节绕组端固定,然后将调节绕组的接线端放在电机的后端,试下时将主绕组也下入定子槽内,找出空间差,决定槽底垫几个厚的玻璃布板,最后等调节绕组接完线后,再下入主绕组。
4 结论内反馈串级调速具有结构简单、效率高、节能等优点,调速范围也较宽(1 5~2 5∀1),电动机的容量愈大,节能效果愈明显。
参考文献[1] 汤蕴 ,史乃等 电机学 西安:西安交通大学出版社,1995[2] 陈伯时,陈敏逊 交流调速系统 北京:机械工业出版社,2001[3] 黄俊,王兆安 电力电子变流技术 北京:机械工业出版社,1993.[4] 杜坤梅 电机控制技术 哈尔滨理工大学出版社,199620防爆电机 (E XPLOSION-PROOF ELEC TRIC MAC HINE) 2003年第2期(总第115期)2003年6月30日出版。