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交流异步电动机的轴电压和轴电流现象

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  轴电压是指电动机轴两端之间或者转轴与轴承座之间所产生的电压。产生轴电压的主要原因是由于环绕电动机轴的磁路不平衡所引起,这个不平衡的磁通切割转轴,就在轴的两端感应出轴电压。 造成磁路不平衡的因素很多,如转子运转不同心、定子铁心扇型冲片叠装接缝不对称、硅钢片磁导取向不同造成磁导率不同、铁心槽和通风孔的存

  轴电压是指电动机轴两端之间或者转轴与轴承座之间所产生的电压。产生轴电压的主要原因是由于环绕电动机轴的磁路不平衡所引起,这个不平衡的磁通切割转轴,就在轴的两端感应出轴电压。

  造成磁路不平衡的因素很多,如转子运转不同心、定子铁心扇型冲片叠装接缝不对称、硅钢片磁导取向不同造成磁导率不同、铁心槽和通风孔的存在致使磁路不平衡以及轴承中具有绝缘性能的油膜引起的静电充电等。

  当电动机由变频器供电时,高次谐波分量使电压波形的畸变率和电源的零序分量变大(电网供电时,正弦畸变率不超过5%,电压的零序分量不超过正弦分量的1%),致使定子绕组中性点发生位移,因此轴电压较大。在磁通恒定的情况下,电动机的轴电压与转速、频率和功率成正比。

  通常,转轴与轴承之间有润滑油的油膜存在,当轴电压较低时,尚不会形成轴电流,但轴电压增大到一定值时,轴电压将击穿油膜而形成放电,构成轴电流回路,最终使转轴和轴承烧毛或局部烧熔,伴随的是电动机噪声的加剧。

  由于电动机所允许的轴电压大小是与轴承的状态、油膜的厚度等因素有关,很难定量分析,通常以表11-1、表11-2、表11-3所示规定作为电动机轴电压和轴电流的参考。

  为了防止轴电流事故的发生,对于变频器供电的中大型电动机,应在电动机的非负载侧轴承座和轴承架之间加垫绝缘板,以切断轴电流回路;或在轴端安装接地电刷,通过降低轴电位来达到减小轴电流的目的。

  所以,交流异步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,即磁通在电动机内的不对称分布。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动机,轴承电流在理论上和实际上都是不存在的。而事实上,交流异步电动机在正弦波电源的驱动下,就会因电动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,例如通过电动机轴中央的磁通;二是通过电动机轴的交变磁链。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。

  自从以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为功率器件的脉宽调制(PWM)逆变器作为交流电动机的传动电源后,大中型电动机上的轴电流问题变得日趋严重,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逆变器导致电动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,从而使得电动机不能正常运行。通过电动机可靠性研究表明电动机轴承的损坏占电动机损坏总数的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du/dt过大,损坏的数字还在增长。

  分析电动机在正弦波供电和PWM逆变器供电时的轴电压、轴电流产生的机理,由此重视起对电动机轴承的研究;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。