电机系统中的轴电流来源及分类

海川老鱼 · 发表于 2025-10-25 21:32:21

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交流电机领域广泛应用的脉冲宽度调制（PWM）技术采用电力电子器件，高开关频率产生高频共模电压，与牵引电机内部杂散电容耦合作用，在轴承两侧产生轴电压，当轴电压超过油膜击穿电压阈值时，油膜发生击穿产生轴电流。一旦轴电流密度超过特定的阈值，轴承的金属结构和润滑油脂会逐渐损坏，从而显著缩短轴承寿命。轴电压和轴电流已成为轴承故障的主要原因，其会导致轴承电蚀损坏，缩短电机使用寿命。

轴电压的主要来源为磁通不对称、静电感应和变频供电。不同类型轴电压产生的轴电流路径非常复杂。根据目前的观点，轴电流主要可分为dv/dt轴电流、电火花加工（EDM）轴电流、循环轴电流和转子接地轴电流。

（1）dv/dt轴电流
当轴电压低于轴承油膜击穿电压阈值时，轴承电容会进行充电或放电，产生充放电电流，即dv/dt电流，其来源于变频供电产生的轴电压，dv/dt电流受共模电压脉冲上升幅度和上升时间的影响，通常该电流较小，约为5～200 mA左右，与其他轴电流相比，往往认为是无害的，通常可以忽略。

（2）EDM轴电流
当静电感应或变频供电引起的轴电压大到足以击穿轴承润滑油膜时，发生击穿，产生EDM轴电流。电流幅值约为0.5～3A，短时间释放的热量会融化附近的金属，极大地缩短了轴承使用寿命。EDM轴电流流通路径为：转轴—轴承内圈—轴承外圈—机壳。

存在高于轴承油膜的击穿电压阈值的电压并不是出现EDM轴电流的充分条件，发生EDM轴电流很大程度上取决于轴承的工作工况，包括电机转速、轴承运行的时间以及轴承滚道的表面粗糙度等。此外，润滑油膜在每次击穿后都是导电的，在下一次击穿之前需要足够的时间来恢复其绝缘性能。

（3）循环轴电流
根据轴电压的来源，循环轴电流可分为经典循环轴电流（由磁通不对称产生的轴电压引起）和高频循环轴电流（由变频供电产生的轴电压引起）。经典循环轴电流的频率与转轴的速度相对应，与电流的基波频率相同。

由于近年来电机制造和装配工艺的改进，由经典循环轴电流导致的轴承电蚀损伤占比逐渐降低。定子绕组和机壳之间的寄生电容在高频共模电压的作用下，产生流经定子铁心的高频共模电流，共模电流在电机转轴周围产生高频圆形磁通，进而沿转轴感应出轴电压。当轴电压超过油膜击穿场强时，在“定子机壳—驱动端轴承—转轴—非驱动端轴承”回路中产生高频循环轴电流，与EDM轴电流不同，高频循环电流约为0.5～20 A，频率为100 kHz到几MHz。高频循环轴电流反映了高频共模电流，应该注意的是，在传动端与非传动端轴承中循环轴电流方向相反。

（4）转子接地轴电流
当电机转子对地阻抗低于定子对地阻抗时，如转轴直接接地、电机机壳接地不良等，使部分共模电流沿着定子绕组—定子铁心—轴承—轴—接地的路径通过，形成转子接地轴电流，其来源为变频供电产生的轴电压。转子接地轴电流约为1～35 A，会过早地损坏轴承。根据定子外壳和转子高频接地阻抗的不同，转子接地轴电流可能会随着电机尺寸的增大而显著增大。

相比较而言，EDM轴电流和高频循环轴电流占比最高，而其他类型的轴承电流受到的关注较少。各类型轴电流流通路径如图1和图2所示。20 kW以下的小型电机对EDM轴电流更敏感，而大型电机则可能受到循环轴电流的影响。

海川老鱼 · 发表于 2025-10-25 21:32:55