前言：随着时代的发展，环保受到了越来越多国家的普遍重视，在这一背景下，高效率变频器开始广泛应用于家用、工业领域。变频驱动电机轴承电腐蚀是在实践中比较常见的一种现象，这种现象会明显缩短轴承本身的使用寿命，并且增加维护保养所需要消耗的成本，不利于企业经济效益的稳定提升。在传统的电机中，其电腐蚀的产生原因比较简单，主要是由于磁路不对称所导致的，只需要在非驱动端切断电流回路即可。与之相比，变频器驱动电机的轴承电腐蚀现象相对比较复杂，需要对其进行综合分析。由于脉宽调制输出中性点电压，即共模电压不为零，该电压会通过分布电容耦合到定子、转子、轴承等物理结构上形成电气回路。轴电压即轴承内圈和外圈之间分布的电压，当轴电压足够大时便会击穿轴承滚珠与内外圈之间的油膜，形成EDM（静电放电加工）电流，造成电机轴承电腐蚀问题，会产生噪声、振动、甚至轴承损坏等一系列负面影响。
图1 电机轴承电腐蚀图片
一、变频驱动电机轴承电腐蚀原因分析
轴承电腐蚀会对其本身造成相当严重的伤害。首先，常见的是大电流腐蚀，会导致材料熔融处产生褪色区与凹坑。其次，低密度电流也会导致材料滚动接触面出现大量的微型凹坑，长久以来会导致材料出现破损与剥落。最后，电流的高温也会导致润滑脂、轴承使用寿命严重下降。
随着电腐蚀问题日益严重，国内外已有很多学者对此进行了研究。Yoshinori Isomura等人采用等效模型建模方法并提出通过增加调节电容抑制轴电压的思路[1-2]。刘欣等人建立了电动机内部耦合参数的共模模型，确定了轴电压轴电流的路径，并提出有效的分析手段和仿真手段[3]。本文综合诸多学者的研究，发现导致变频驱动电机轴承出现电腐蚀现象的根本原因还是由于电容耦合电流，因此，对变频驱动电机轴承电腐蚀原因进行分析也就是对其电容耦合电流进行分析。
常见的变频器结构主要包括整流器、直流环节、逆变器，变频器偏移零点的三相输出电压之和成为共模电压，能够通过对接地点、绕组中性点得到。在实践中，逆变器的开关频率相对较高，这种现象导致共模电压的频率也相对较高。
电机的寄生电容包括绕组主绝缘电容、定转子之间的电容等结构组成，其中，流经寄生电容的电容大小与共模电压的电压爬升率两者之间成正比，较高的开关频率会导致电流大小明显提升[4]。
共模电压的分布与产生的共模电流经过路径可以用相应流程图来进行表示，图1为电机电容的等效电路图。
图1 电机电容的等效电路图
从图1中可知，轴承电压属于变频器输出共模电压的重要组成部分，轴承电压、共模电压之间的比值可以称为轴承电压比，其具体计算公式为：
其次，电动机的主要寄生电容是定子绕组、机壳之间的电容，在变频器的开关操作中，电容耦合电流会流经绕组、机壳，进而产生磁性通路。在这一背景下，又会在轴承中感应到电压，进而驱动电流，这种电流成为环形电流，其也会对轴承造成影响[5]。
最后，由于电容耦合电流、电压的存在，电机的轴承会承受一定的电应力，如果这个应力超过了一定水平，即润滑油膜的起弧电压，那么就会产生随机电弧，这种随机电弧又会进一步引发电流脉冲，进而对电机轴承造成影响。
图2 轴承放电示意图
综上所述，变频驱动电机轴承电腐蚀现象的出现原因具备较强的综合性特征，因此，需要从多重角度对其进行有效处理。
二、变频驱动电机轴承电腐蚀的预防策略
（一）采用绝缘轴承
采用绝缘轴承是降低轴承电流腐蚀轴承程度的首要策略。具体而言，绝缘轴承相比于普通轴承而言，能够有效降低电流对于轴承的影响，技术人员可以在轴承外圈、轴承室、端盖部位使用绝缘材料。
同时，在实际工作情境中，当电机连接电源启动时，大型电机能够通过绝缘轴承对磁路不对称诱发的绝缘电流进行规避，但是根据实验可知，这种方式仅仅能够保护轴承免受变频器引起的高频轴承电流冲击，不能够产生完全绝缘的效果，存在一定的有限性[3]。
如需完全绝缘，需使用陶瓷球轴承，但价格非常昂贵（轴承的价格高于电机的价格），无法广泛应用，仅少量客户北欧向高端机种采用。
（二）接地
接地也是降低轴承电流腐蚀轴承程度的主要策略之一。具体而言，在实践中，电容偶和电流会通过电缆屏蔽层返回变频器，在标准电缆的环境下，会产生非常高的阻抗，适用于工频电气系统的接地方式无法满足这一电流的实际工作与运行特点，在实践中可以采取以下策略进行解决：（1）对电缆屏蔽层的两端进行连接，在连接过程中，技术人员应当保证两端同时具备较大的接触面积，同时，为了保障屏蔽层、电机之间的接触面积，可以将接线盒下方的电缆保护层进行切割，并采用金属带缠绕的方式将其连接到机壳位置。（2）等电势连接。首先，需要对机壳进行接地，即电机机壳必须连接到接地螺柱上。其次，技术人员还要将电缆连接到变频器的接地轨上，再次，对于使用铸铁机壳的电机而言，应当在接线盒、机壳的接地点通过等电势连接电缆进行接地。最后，机壳、驱动负载外壳进行等电势连接，同样能够降低电腐蚀程度[4]。
经过研究和仿真分析，接地措施在结合某些电腐蚀抑制方案时，可有效降低电腐蚀，但是也存在恶化电腐蚀的情况。需结合具体方案评估接地措施的有效性。
（三）引进共模滤波器
引进共模滤波器也是降低轴承电流腐蚀轴承程度的主要策略之一。具体而言，高频轴承电流产生的根源在于变频器产生的共模电压，这种电压可以用磁环对其进行降低，磁环属于一种典型的共模滤波器，这种设备在加入电缆工作情景中时，会产生一个磁场，进而抑制共模电流的变化情况[5]。同时，磁环在电路中还能够起到串联电路的功能，加上电缆电容能够产生与低通滤波器相同的作用，在实践中能够通过限制共模电压从而起到限制电容电流的作用，进而降低电流对变频驱动电机轴承的腐蚀性。
三、变频驱动电机轴承电腐蚀的抑制措施案例
某空调系统因电机电腐蚀问题造成客诉，主要客诉现象是噪音大，或电机卡死。除采用上述对策外，通过研究空调系统的电腐蚀模型和路径，提出了适用于空调系统的电腐蚀抑制方案：大小端盖导通，并在定子铁芯和端盖之间增加调节电容的方式来改善轴电压，从而降低电腐蚀风险[6]。
图2 空调系统电腐蚀模型
图3所示为不同调节电容下的轴电压波形，说明适当的调节电容下可以获得更好的改善效果。
图3 不同调节电容的轴电压波形
结论：纵观全文，导致变频驱动电机轴承电腐蚀现象出现的原因具备较强的综合性，主要原因包括电机内部各个子部件之间的耦合方式、轴电流路径、共模电压大小、应用系统布局等，因此，相关技术人员在对变频驱动电机轴承电腐蚀现象进行预防时，也应当采取多样化的处理策略，如采用绝缘轴承、接地、选择合适的电机供电电缆、引进共模滤波器或采用平衡分压方法。在实践中，相关单位应当结合自身的实际情况与本文的研究内容进行电腐蚀抑制。只有做到针对性处理，才能有效解决高频轴承电流导致轴承受腐蚀明显的问题，进而为保障机械设备正常运行。
参考文献：
1. Yoshinori Isomura, Kichiro Yamamoto, Shigeo Morimoto. Study of the Further Reduction of Shaft Voltage of Brushless DC Motor With Insulated Rotor Driven by PWM Inverter. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, 2014(50):3738-3743
2. Yoshinori Isomura, Kichiro Yamamoto, Shigeo Morimoto. Approaches to Suppressing Shaft Voltage in Non-Insulated Rotor Brushless DC Motor driven by PWM Inverter. Journal of International Conference on Electrical Machines and Systems, 2014 (3):241-247
3.刘欣等.PWM驱动系统中感应电动机轴电压轴电流的研究[J].微电机.2007,40(9):5-8
[1]暴杰,许重斌,赵慧超.驱动电机轴承电蚀失效问题研究[J].微特电机,2022,50(09):58-64.
[2]李伟,石永进,王永强,李继伟.地铁牵引电机轴承电蚀及绝缘性能优化技术研究[J/OL].轴承:1-8[2022-09-29].http://kns.cnki.net/kcms/detail/41.1148.TH.20220922.1717.002.html
[3]徐君.加装导流环解决牵引电机轴承电腐蚀问题[J].装备机械,2022(01):52-57.
[4]李金泽,胡瑞,敖海麒,贺蜀光,孟晓湖.含MoS_2/无水CaCl_2润滑脂的酸性环境中轴承的腐蚀行为[J].石油化工腐蚀与防护,2022,39(01):15-18.
[5]王春亮,徐彦伟,颉潭成,陈立海,刘明明.基于RRMS的地铁牵引电机轴承剩余寿命预测[J].制造业自动化,2021,43(06):1-5+11.
[6] 黎明、钟贵烈、胡建、侯俊峰 关于AC220V家用空调系统电机轴电压的研究. 家电大会 2021
