沈阳工业大学迟连强、张殿海 等：旋转电机轴承电蚀损伤机理与缓解措施研究进展

阅读提示：本文约 3200 字

随着现代电力电子技术与驱动电机的深度融合，由变频驱动系统所导致的电机轴电压和轴电流及其负效应-轴承电蚀问题，已成为轴承失效的主要模式之一。沈阳工业大学张殿海、迟连强等，在2024年第20期《电工技术学报》上撰文，介绍了电机系统轴电压和轴电流的来源及分类，分析了轴承电蚀损伤典型故障以及电蚀损伤影响因素，总结了轴承电气模型及轴承电容计算方法的研究现状，讨论了轴承电蚀损伤缓解技术，并根据目前的研究现状和面临的挑战，展望了未来可能的研究方向。

研究背景

在电力驱动快速发展的背景下，据统计，超过40%的电机故障来源于滚动轴承故障，这是造成电机停机的主要原因之一。

随着电力电子技术的快速发展，脉宽调制（Pulse Width Modulation, PWM）技术在交流电机领域广泛应用。PWM技术采用的电力电子器件（如Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT等）开关频率从几kHz到几十kHz，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。

如今，新兴的碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）技术使得开关频率进一步提高，尽管SiC和GaN的高开关频率和低开关损耗提高了变频器的性能，但dv/dt的增加进一步加剧了轴承电蚀的风险。

论文方法及创新点

1、轴电压和轴电流来源及分类

在电机驱动系统中，由多种原因导致轴电压的存在，进而产生轴电流，对轴承造成电损伤。为深入理解这些电气故障，需要充分了解轴电压的起因及种类。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（Electrical Discharge Machining，EDM）轴电流、循环轴电流和转子接地轴电流。

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。

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0.5A-3A，短时间释放的热量会融化附近的金属，极大缩短轴承使用寿命。

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）。高频循环电流约为0.5A-20A，频率为100kHz到几MHz。

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，转子接地轴电流约为1A-35A，会过早地损坏轴承。

2、轴承电蚀损伤研究

电应力引起的最常见的损伤模式主要为：磨砂、点蚀、凹槽、白色蚀刻裂纹等，同时，电应力会使润滑油降解，使其性能退化加剧轴承电蚀。磨砂源于轴承微弱但密集的放电，在显微镜下，磨砂表面由小的“坑”组成，每个“坑”表明油膜击穿时的熔化效应。点蚀是轴电流引起的轴承早期损伤故障，由尺寸较大的“坑”组成，放电电流幅值较大且持续时间较长，放电更加强烈。

轴电流是凹槽损伤产生的原因，凹槽损伤为“暗条纹”和“亮条纹”交替组成。除了轴承表面损伤模式外，失效也可能发生在轴承表面以下部位。电流通道会导致轴承出现白色蚀刻裂纹（White Etching Cracks，WEC），WEC通常是宽度小于0.1μm-1μm的裂纹。图1-图4为轴承电蚀典型故障。

3、轴承电蚀损伤缓解技术

目前，轴承电蚀缓解技术可分为三类。第一类缓解技术针对轴电流的流通路径降低轴电流。第二类缓解技术针对轴电流的根源（例如逆变器）来降低轴电流。针对轴承本体，目前采用的缓解技术主要包括使用绝缘轴承以及导电油脂。轴承电蚀损伤不同缓解技术特点总结如表1所示，大多数缓解技术都会造成成本增加，很难同时满足有效性和低成本的要求，在采用缓解技术时，需评估实施的必要性。

表1轴承电蚀缓解技术特点总结

结论

轴承作为传动系统的重要组成部分，降低轴承电蚀损伤以及在轴电流作用下预测轴承寿命是必要的研究方向。目前，轴电流对轴承的损伤过程尚不明确，因此，本文从轴电压和轴电流的来源、轴承电蚀损伤故障及影响因素、轴承电气模型及轴承电蚀损伤缓解技术等方面进行了概述，本文的内容将协助该领域人员快速把握当前轴承电蚀损伤相关问题的研究进展和发展方向。

在实际应用中，应对电机典型的运行模式进行评估，以确定最安全的运行模式，从而延长轴承的使用寿命。基于本文概述，未来还需要对相关方向进行更多的研究，具体如下:

1、提出或改进轴承电蚀放电活动的检测、分类和量化方法，无论采用侵入式还是非侵入式。

2、针对轴电流影响因素的研究，目前存在的问题是考虑的因素比较单一，尽可能全面综合的考虑轴电流各影响因素的依赖关系，将有助于深入理解轴承电蚀损伤机理。

3、建立轴承各个阶段的精确的电蚀损伤模型，实现对轴电流作用下电机轴承寿命的有效预测，在线检测轴承的运行状态。

4、在深入了解轴承电蚀损伤机理的前提下，提出轴承电寿命预测方法包括，关键应力、停机条件、加速模型、寿命模型等。

5、提出可靠性更高、成本更低的轴承电蚀损伤缓解技术，如低成本绝缘轴承、新型多相或多级逆变器调制技术、减少高频耦合的新型电机设计等。

团队介绍

团队成员隶属于沈阳工业大学教育部特种电机与高压电器重点实验室电工装备多物理场与电工材料特性研究所，长期致力于电工理论与新技术教学科研工作。团队主要的研究方向包括电工材料电磁特性先进测量与工程应用技术、超高压/特高压多物理场交叉耦合理论与优化技术、电力变压器智能运维与全寿命评估技术、电气可靠性技术等。

团队核心成员14人，教授10人，副教授4人，博士生导师12人。已培养博士20余人，在读博士研究生18人，硕士研究生70人。团队围绕高端装备多物理场仿真计算和电工材料特性测试与模拟方向开展研究，构建了国际一流的电工材料复杂特性测试实验平台、电工产品多物理场耦合计算分析平台和电力变压器多参量在线测试大模型平台。

张殿海

教授，博士生导师，主要研究方向为电工新材料电磁特性测量与模拟，电工装备多物理场、电气可靠性与优化设计等。

迟连强

博士研究生，主要研究方向为电工装备电磁场理论与数值计算。

赵俊清

硕士研究生，主要研究方向为电工装备电磁场理论与数值计算。

任自艳

教授，博士生导师，主要研究方向为电工装备的优化设计算法及电磁场数值分析与计算。

本工作成果发表在2024年第20期《电工技术学报》，论文标题为“旋转电机轴承电蚀损伤机理与缓解措施研究进展“。本课题得到国家自然科学基金项目的支持。

引用本文

迟连强, 张殿海, 赵俊清, 任自艳, 陈德志. 旋转电机轴承电蚀损伤机理与缓解措施研究进展[J]. 电工技术学报, 2024, 39(20): 6409-6430. Chi Lianqiang, Zhang Dianhai, Zhao Junqing, Ren Ziyan, Chen Dezhi. Research Progress on the Mechanism and Mitigation Measure of Electrical Corrosion Damage in Rotating Motor Bearings. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(20): 6409-6430.

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