产生轴电压的原因如下：3p W ]!F0C-s y u ①、由于发电机的定子磁场不平衡，在发电机的转轴上产生了感应电势。

磁场不平衡的原因一般是因为定子铁芯的局部磁组较大（例如定子铁芯锈蚀），以及定、转子之间的气隙不均匀所致。

②、由于汽轮发电机的轴封不好，沿轴有高速蒸汽泄漏或蒸气缸内的高速喷射等原因而使转轴本身带静电荷。

这种轴电压有时很高，可以使人感到麻电。

但在运行时已通过炭刷接地，所以实际上已被消除。

轴电压一般不高，通常不超过2~3 伏，为了消除轴电压经过轴承、机座与基础等处形成的电流回路，可以在励磁机侧轴承座下加垫绝缘板。

使电路断开，但当绝缘垫因油污、损坏或老化等原因失去作用时，则轴电压足以击穿轴与轴承间的油膜而发生放电，久而久之，就会使润滑和冷却的油质逐渐劣化，严重者会使转轴和轴瓦烧坏，造成停机事故。

发电机磁场非常强大，发电机的主轴穿过磁场中心，可是一旦有微小偏差，在发电机轴两端就有感应电压，如果发电机轴两端经轴承和机座成为闭合环路，就会产生巨大的短路电流，为了切断这个环路，发电机轴承的一端必须加绝缘垫片的轴电流是由于发电机磁场不对称，发电机大轴被磁化，静电充电等原因在发电机轴上感应出轴电压，引起的从发电机组轴的一端经过油膜绝缘破坏了的轴承、轴承座及机座底板，流向轴的另一端的电流逆变器供电的电机轴电流及其防治1 引言感应电动机的轴电压和轴电流现象并不是什么新的问题，alger在1920年就阐述了引起这些电流的原因，即磁通在电机内的不对称分布。

而c.u.t.pearce在1927年也说到:只要有可能设计出一个完美平衡或是对称的电机，轴承电流在理论上和实际上都是不存在的。

而事实上，感应电机在正弦波电源的驱动下，就会因电机内部的因素产生轴电流，这些因素可以分为两点:一是同极的磁通，例如通过电机轴中央的磁通;二是通过电机轴的交变磁链。

其中第二种情况更普遍一些。

而这些磁链主要是由转子和定子槽机械尺寸的偏差、磁性材料的定向属性的改变以及供电电源不平衡等因素引起的磁通不平衡所产生的。

近年来，以绝缘栅双极晶体管(igbt)为功率器件的脉宽调制(pwm)逆变器作为感应电机的驱动电源时，轴电流的问题变得日趋严重，这也使得轴承出现问题和损坏的机率增加、损坏的速度加快。

而且具有高载波频率(大于12khz)的igbt逆变器导致电机轴承的损害比低载波频率的逆变器更快。

此时产生的轴电流的主要原因就是pwm逆变器的输出在电气上的瞬时不平衡。

过大的轴电流将造成轴承的损坏，从而使得电机不能正常运行。

通过电机可靠性研究表明电机轴承的损坏占电机损坏总数的40%，而轴承制造商反映几乎在所有损坏的轴承中有25%是由于逆变器输出电压的dv/dt过大，损坏的数字还在飞速地增长。

本文通过电机模型的建立，分析了电机在正弦波供电和pwm逆变器供电时的轴电压、轴电流产生的机理，由此重视起对电机轴承的研究;所阐述的几种不同的轴承电流的流向，为的是可以有的放矢地找到相应的防治措施，但愿这一切对变频器以及电动机的制造商有所帮助。

2 关于电机轴承2.1 三种电机轴承损坏的原因首先从轴承的损坏说起。

轴承的损坏会使电机在运行时产生不正常的噪音，重则使得电机无法正常工作。

其中轴承损坏主要有三种原因:力学上的损坏，即由于机械的振动;热学上的损坏，即由于过载增加了轴承温度，从而降低了其机械寿命;电学上的损坏这也是最主要的原因，即由于电流的放电加工(edm)使得轴承上产生凹坑而降低了使用寿命。

如果不加以防治，第三种情况很容易在pwm逆变器驱动的电机中发生。

2.2 放电加工的机理与轴承的损坏pwm逆变器输出电压的变化率dv/dt可以达到6000v/μs以上，而电机在高速运行中，轴承滚珠几乎悬浮在润滑剂中，此时高速旋转的滚珠并没有与轴承的内外滚道接触，所以此时的润滑剂的作用相当于一个电容器c。

在高频pwm波的作用下，pwm输出的不平衡电压，通过电机定子与转子间的间隙的静电电容耦合，在转子轴上建立起一个与pwm波相同频率的电压，即轴电压，而且该电压是轴对地而言的。

由于电机转轴与轴承的内滚道相连，而轴承的外滚道与电机机壳相连，当轴电压超过润滑剂的绝缘电压时，就会有放电电流流过轴承，其大小约为i=c dv/dt (1)这个电流将使轴承局部的温度迅速升高，产生熔化性的凹点，这种电腐蚀产生的凹坑直径很小约0.1~0.5mm之间，很难用肉眼来分辨。

当然这种凹坑在开始时的损坏相对较小，当这种凹坑大面积出现时，轴承的表面就会失去金属的光泽，就象被氧化一样; 而垂直于滚道的灰色线条组成的彩色斑块，则是由滚动体带动脱落下来的金属在滚道上碾压形成的。

随着电机的不停地旋转，这些凹坑也不断地增多并积累，最终在轴承的内表面形成一道道弧状的凹槽，这些凹槽轻则使电机运行噪音加大，轴承发烫，重则使电机因轴承损坏而无法正常运行。

2.3 轴承的运行对放电电流的影响放电而形成的凹坑取决于流过电流的大小，而电流的大小与滚珠(柱)与滚道的接触面积有很大的关系。

但直接对接触面积进行分析研究是很困难的，因为接触面积与很多因素有关，如轴承的速度、电机的装配方式、润滑剂的温度-粘度特性等，所以通常通过研究轴承的电阻来反映接触的情况。

滚珠(柱)与滚道的表面接触主要有三种方式:金属与金属接触、准金属表面接触和金属电接触。

在低速旋转或不旋转时接触的实际区域是很大的，而此时的接触常常是准金属表面的接触。

因为润滑油的油膜厚度通常只有50×10-10m，而准金属表面的氧化层有100~120×1 0-10m，所以量子的隧道效应使得电流能够流过接触区，条件是只要电阻小于0.5ω。

在轴承正常旋转时，轴承的接触面积实际上是很小的，仅取决于轴承的粗糙程度，越是粗糙的表面接触的面积就越大，而表面越是光滑接触面积就越小。

图1 轴承电阻与速度的关系图1为轴承电阻与速度的关系。

从表面接触的角度分析，典型的接触持续时间在低速时约为100μs左右，高速时约33μs左右，也就是说，低速时接触面积较大一些，相对的电阻就小一些。

其实，当轴承旋转的频率达到变频器基频的10%以上之后，电阻开始明显变大，并趋于平缓。

图2 油膜百分比与∧的关系在图2所示的是轴承油膜与表面粗糙度之间的关系。

其中，油膜百分比指的是可能接触的表面被润滑油膜隔离的时间占总时间的百分比，而∧是油膜厚度与接触表面粗糙度有效值的函数。

对于大多数轴承而言，∧值在1~2之间。

这就表明高质量的轴承呈一个高电阻的阻抗，在80%的时间内表现为一个电容特性;而低质量的轴承则呈现出低电阻，且在运行中被油膜隔离的时间很少，也就是说有可能经常发生表面接触。

综上所述，轴承表现出的电阻与三个因素有关，即:轴承旋转的速度、表面的粗糙度、油膜的厚度。

换言之，这三个因素将影响轴承电流的大小。

所以选择高质量的轴承对于电机的良好运行非常重要。

2.4 轴电流对电机寿命的影响美国学者busse在他的研究中给出了轴承电气寿命l的估算公式式中，jb=ib/sb，轴承的电流密度, a/mm2ib—轴电流，asb—轴承滚珠(柱)与滚道的接触面积, mm2研究表明, 当轴承的电流密度jb不大于0.56a/mm2时，l远大于轴承的机械寿命，轴承电流将不会对轴承的运行可靠性带来显著的影响;而当jb=0.8a/mm2时，l将与轴承的机械寿命相当，此时的轴电流的影响就不能忽略了。

但不管怎样，轴电流的影响将危害到以下方面:(1) 由于放电和电离，润滑剂劣化加速，导致润滑性能和介电强度的降低。

(2) 电流在轴承表面将产生电腐蚀。

(3) 轴承运行温升提高。

(4) 过大的轴承电流密度甚至会造成严重的灼伤，在滚道表面形成麻点(凹坑)和凹槽。

以上作用的恶性循环将大大加剧其危害。

而对于pwm逆变器驱动的电机，这种危害更加明显。

因为pwm波较高的载波频率降低了共模回路的阻抗，因而使得ib和jb较大。

在共模回路中，耦合电容可以为当载波频率较高时，ω也相应较高，所以耦合电容变得较小，结果使得轴电流和电流密度变大。

所以为了保证电机轴系统的使用寿命，必须采取必要的措施将轴承的电流密度降到0.4 a/mm2以下。

3 轴电压产生的机理3.1 电网正弦波驱动时的轴电压前面已经提到，人们其实很早就发现电机的转轴上存在轴电压，但在正弦波供电的情况下，如果电机的功率不大，轴电压对电机的正常工作并没有很大的影响。

电机在正弦波驱动时主要有三个原因会产生轴电压:磁路不对称、剩磁和电荷积聚。

(1) 磁路不对称引起的轴电压电机的旋转磁场不仅会在转子的绕组中感应出电动势，也会在电机的转轴上感应出电动势，但是由于是正弦波供电，所以该电动势的瞬时值为零。

但是由于电机设计和制造方面的原因，比如电机铁心材料磁化取向特性有差异，定子叠片气隙的不均匀，电机的磁路很难做到完全的对称，这种磁通分布上的不均匀，就会出现多余的交变磁通交链电机的转轴，在电机转轴两端产生轴电势，形成轴电压。

而且不能忽略的是，电网供电有时就是不平衡的。

当轴电压强度足以击穿润滑油膜，且轴承间有外电路沟通时，轴电流即形成。

(2) 剩磁引起的轴电压当转子在具有剩磁的定子机座内旋转，就会感应出轴电压，这一过程与发电机工作原理相同，一旦绝缘不好构成了回路，轴承和密封圈就成了轴电流的负载。

(3) 电荷积聚引起的轴电压这种现象常常出现在涡轮机运行的后期。

高温蒸汽温度降低时会发生正负电荷的分离，随着蒸汽冲击涡轮机叶片，电荷就积聚在叶片上，从而产生轴电压。

在气压机、皮带传动机构，因为摩擦产生的电荷，也可能发生电荷积聚现象。

3.2 pwm波引起的轴电压(1) 共模电压这里先要说明的是，即使用pwm逆变器驱动，上述情况引起的轴电压也是存在的，只不过比起pwm高次谐波引起的轴电压则要小得多。

pwm逆变器驱动的电路如图3。

图3 pwm逆变器驱动电路根据pwm逆变器的拓扑电路进行分析可知其共模电压耦合到转轴上的轴电压可以表示为共模电压可以定义为逆变器中点的对地电压。

这个电压在三相对称正弦波供电时为零。

但是在pwm供电下，共模电压取决于逆变器的开关状态，而且共模电压的变化周期与逆变器的载波频率一致。

pwm逆变器输出的共模电压的波形以及三相波形如图4所示。

图4 pwm逆变器三相输出和共模电压波形由图4可以看到，pwm逆变器输出的每相波形都是矩形波，尽管它的三相基波分量(见虚线所示)的合成矢量为零，但是从实际pwm波每一时刻的合成矢量来看并不为零。

换句话来说，就是共模电压的瞬时值不为零。

由图可以观察到共模电压是一个上下阶梯状的函数，它的幅值等于直流侧电压值，波形中阶梯的每一个台阶都是1/3的直流电压值，而频率等于逆变器的开关频率。

4 pwm逆变器和电机的模型图5是大家熟知的电机物理结构，在图中转子的负载端和非负载端的轴承都通过绝缘垫片与电机机壳隔离，绝缘垫片是为了能够测量转子的轴电压;另外当用接地带接地时，还可以通过电流探测器测量轴电流。