電機(jī)軸承的電蝕

為提高電動(dòng)機(jī)效率，變頻器控制是有效的手段之一，提高控制頻率(載頻)可使電動(dòng)機(jī)更高效工作，而隨著載頻提高，高頻電流流過(guò)軸承會(huì)產(chǎn)生電蝕，這種損傷也稱(chēng)為高頻電蝕。其在2004年之前很少見(jiàn)，但之后在家電和工業(yè)設(shè)備的變頻控制電動(dòng)機(jī)中越來(lái)越常見(jiàn)。下面就介紹通用電動(dòng)機(jī)和家用電動(dòng)機(jī)用小型電機(jī)軸承電蝕的應(yīng)對(duì)方法和特點(diǎn)。

高頻電蝕與常規(guī)電蝕的現(xiàn)象相同，即旋轉(zhuǎn)期間電流流過(guò)套圈和滾動(dòng)體間的接觸區(qū)，使接觸表面發(fā)生部分熔化，變得粗糙。在明顯電蝕的情況下偶爾也出現(xiàn)緞狀表面或波紋狀磨損，稱(chēng)為脊?fàn)钣『刍蛲呃悴?/span>(下文稱(chēng)為脊痕)。高頻電蝕特指由變頻設(shè)備高頻噪聲帶來(lái)的軸承損傷，定義為安裝在變頻控制旋轉(zhuǎn)設(shè)備(電動(dòng)機(jī)等)或靠近變頻控制設(shè)備附件的旋轉(zhuǎn)設(shè)備中的軸承產(chǎn)生的現(xiàn)象。圖1為由高頻電蝕在變頻驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇電機(jī)軸承上引起的脊痕。稱(chēng)之為脊痕的粗糙峰發(fā)生在一套軸承滾動(dòng)體數(shù)的整數(shù)倍的位置處，因滾動(dòng)體滾過(guò)這樣的粗糙表面而引起非常大的噪聲和振動(dòng)，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)設(shè)備噪聲增大、可靠性降低。圖2為脊痕的掃描電鏡( SEM)照片，觀(guān)察到大量微小放電印痕，且已證實(shí)滾動(dòng)體滾過(guò)引起某些特征發(fā)生變形。

圖1 6201球軸承內(nèi)圈溝道上的脊痕

圖2 6201球軸承內(nèi)圈溝道上脊痕的SEM照片

NSK通過(guò)高頻電蝕的再現(xiàn)試驗(yàn)，研究了軸承絕緣擊穿電壓與油膜參數(shù)Λ、軸承振動(dòng)與油膜參數(shù)、高頻電流與軸承振動(dòng)等關(guān)系，給出了抑制和防止高頻電蝕的措施：

1)與電力分布有關(guān)的措施：

減小Λ；

使用導(dǎo)電脂；

使用導(dǎo)電密封。

2)與絕緣有關(guān)的措施：

增加Λ；

使套圈或滾動(dòng)體絕緣。

油膜參數(shù)最小化

通過(guò)將Λ保持在較小水平可抑制軸承振動(dòng)水平上升，然而在實(shí)際旋轉(zhuǎn)設(shè)備中，Λ隨潤(rùn)滑劑、轉(zhuǎn)速、溫度及載荷而變化，難以控制。另外，當(dāng)Λ太小時(shí)套圈和滾動(dòng)體直接接觸的風(fēng)險(xiǎn)增加，可能引起磨損或卡死失效。盡管在延長(zhǎng)高頻電蝕的壽命方面有效，但不是一種完美的防止措施。

采用導(dǎo)電脂

軸承中預(yù)填導(dǎo)電脂（如混有碳粉的鋰皂脂等），由于碳粉隨時(shí)間的退化，難以維持長(zhǎng)期導(dǎo)電，也不是完美的防止措施。

采用導(dǎo)電密封

當(dāng)內(nèi)外圈間產(chǎn)生旁路時(shí)，通過(guò)在接觸密封的橡膠中加入碳粉可使軸承導(dǎo)電，可抑制流過(guò)軸承的電流。但是與導(dǎo)電脂的情況類(lèi)似，電阻值隨時(shí)間而增加，認(rèn)為是導(dǎo)電密封與動(dòng)圈的接觸面積逐漸磨小，導(dǎo)致導(dǎo)電性失效；或是因?yàn)轭A(yù)填潤(rùn)滑脂的泄漏在密封接觸區(qū)形成了油膜，失去導(dǎo)電性。

油膜參數(shù)最大化

同上面分析的一樣，Λ隨潤(rùn)滑劑、轉(zhuǎn)速、溫度及載荷而變化，難以控制。

采用絕緣材料

陶瓷作為軸承零件材料具有高的絕緣性能和力學(xué)性能。陶瓷具有非常大的絕緣電阻且不像油膜那樣不穩(wěn)定，所以使用這種材料作為應(yīng)對(duì)措施最有效。從方便、工作性能及成本考慮，在通用電動(dòng)機(jī)和家用電動(dòng)機(jī)所用直徑相對(duì)較小的球軸承中一般使用陶瓷球。

高頻電蝕抑制或防止措施的幾種方法的試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示。與裝有正常鋼球的軸承相比，預(yù)填導(dǎo)電脂的軸承或配有導(dǎo)電密封的軸承減小了高頻電蝕損傷(振動(dòng)增加)，但難以徹底避免這種損傷，在試驗(yàn)后檢測(cè)軸承內(nèi)部仍觀(guān)察到高頻電蝕損傷。因?yàn)檠b有陶瓷球的軸承不傳導(dǎo)高頻電流，軸承振動(dòng)極少上升，且試驗(yàn)后檢測(cè)軸承內(nèi)部未觀(guān)察到高頻電蝕損傷。

圖3 由高頻電蝕引起的軸承振動(dòng)上升的實(shí)測(cè)結(jié)果

電機(jī)的類(lèi)型繁多，電機(jī)軸承的配置多樣，為了防止電機(jī)軸承產(chǎn)生電蝕，人們采取了各種措施，如套圈的絕緣涂層、陶瓷滾動(dòng)體、絕緣端蓋（端蓋與機(jī)座連接部分的絕緣）、涂層軸、附加電刷短路、導(dǎo)電脂等等，但單一方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，有些損傷機(jī)理還有待進(jìn)一步了解，需要在應(yīng)用和研究中不斷探索。