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電機(jī)軸承電腐蝕如何預(yù)防?

2024-11-13

由于軸電壓的存在,軸承外圈和內(nèi)圈是存在電勢差,這就導(dǎo)致軸電流存在。由于軸電流是造成軸承電腐蝕的關(guān)鍵因素,因此如何控制軸電流就是預(yù)防軸承電腐蝕的關(guān)鍵,下面介紹一些預(yù)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(nèi)外圈的電勢一樣,理論上也就不存在軸電流(實(shí)際上還是會有,因?yàn)檩S與端蓋不可能做到0阻抗),下面列舉幾個(gè)以該方式預(yù)防軸承電腐蝕的案例。

下圖為特斯拉預(yù)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(shù)方案都是按照這個(gè)變形而來,主體是由一個(gè)導(dǎo)電滑環(huán)(阻抗較低),導(dǎo)電彈片組成。其中滑環(huán)外圈隨著軸轉(zhuǎn)動,內(nèi)圈不動,通過導(dǎo)電彈片使得軸的電勢與端蓋相同,減小軸電流(由于導(dǎo)電滑環(huán)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(yù)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(nèi),長安安裝在軸外側(cè),其中7為導(dǎo)電軸承(外圈不動,內(nèi)圈動),8為類似特斯拉的導(dǎo)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(nèi)部集成導(dǎo)電滑環(huán),不同點(diǎn)就是將導(dǎo)電片換成有導(dǎo)電柱與導(dǎo)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(yīng)該效果更好(可惜沒看到實(shí)物)。

圖3 華為方案

當(dāng)然最近看到了一個(gè)有意思的方案,這個(gè)方案用導(dǎo)電油封代替滑環(huán)+導(dǎo)電片的組合。如下圖,4為導(dǎo)電油封,4.2是導(dǎo)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(gè)方案原理與之前相似,但是因?yàn)檩S與油封相對運(yùn)動,導(dǎo)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(yàn)。

圖4 導(dǎo)電油封方案

那有個(gè)問題,如果直接把主軸軸承換成導(dǎo)電軸承,不也可以實(shí)現(xiàn)將軸與端蓋"導(dǎo)通",實(shí)現(xiàn)消除電勢差。理想是豐滿的,實(shí)際中即使導(dǎo)電軸承是存在較大阻抗的,導(dǎo)電軸承的方案軸電壓是有下降,但是下降幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及上述方案,因此在800V平臺只上導(dǎo)電軸承恐怕是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。有的設(shè)計(jì)方案考慮只用電刷,如下圖,導(dǎo)電環(huán)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(dǎo)通軸與端蓋,與上面只有導(dǎo)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(wěn)定性還有待考驗(yàn),作者測了做過幾輪PTCE的樣機(jī),軸電壓還是有著明顯的上升(20個(gè)cycle后,軸電壓大概從5V左右升到10V)。

圖6 電刷與導(dǎo)電軸承軸電壓對比

以上方法原理總結(jié)下來就是:軸與端蓋導(dǎo)通,且導(dǎo)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(cuò),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(yīng)該是華為沒上這個(gè)方案原因之一吧。

02 軸承絕緣

除了消除電勢差,在電機(jī)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(gè)成本比普通球軸承要貴上6~10倍左右(批產(chǎn)價(jià)格,樣件更貴),一臺電機(jī)配2個(gè),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(diǎn):

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(dǎo)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(dǎo)熱問題:由于材料不同,軸承與絕緣座的熱膨脹系數(shù)不一樣(一般鋼材比陶瓷熱膨脹系數(shù)高),在電機(jī)運(yùn)行時(shí)軸承與軸承座的過盈量會發(fā)生變化,如果超過臨界則會導(dǎo)致失效。

因此計(jì)算好過盈量是軸承座絕緣的重要一環(huán)。減小共模電流以上兩種是針對電機(jī)的改進(jìn),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(huán)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(huán)中產(chǎn)生一個(gè)磁場,該磁場可阻止共模電流的變化。設(shè)計(jì)參數(shù)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(gè)很不錯(cuò)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?yàn)樽髡哒J(rèn)為該方案的效果+成本是最優(yōu)的選擇,當(dāng)然方案可能不止這些,但是思路總是一樣的。

內(nèi)容來源自【RIO電驅(qū)動】公眾號

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