哈尔滨工业大学程远教授团队提出电机轴承电腐蚀非接触式主动抑制方法

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导语

电机轴承电腐蚀已成为高压、高功率密度电驱系统中亟需解决的关键问题。哈尔滨工业大学程远教授团队在《电工技术学报》2026年第12期发表论文《基于共模变压器原理的电机轴承电腐蚀非接触式主动抑制方法》，提出一种基于共模变压器原理的非接触式主动抑制方案。该方法将电机转轴作为共模变压器的单匝二次绕组，向电机内部轴承电压耦合路径注入补偿电压，从而直接对消轴承电压。实验结果表明，该方法可完全消除稳态阶段的轴承电压，并使开关瞬态尖峰降低85%，实验过程中未出现轴承油膜击穿放电。

研究背景

PWM逆变器输出的共模电压会通过电机内部寄生参数耦合到转轴，在轴承油膜两端形成轴承电压Vb。当Vb超过油膜耐压阈值时，会发生击穿放电并产生EDM轴承电流，长期作用会造成滚道电腐蚀损伤。现有抑制措施主要包括软件调制策略降低共模电压、在三相电缆侧增加无源或有源滤波器、优化电机内部寄生参数，以及采用陶瓷球轴承和导电环等。

上述方法分别存在相电流谐波增大、滤波器体积和损耗较大、结构改动受限，或接触部件老化磨损等问题。尤其是在新能源汽车数百安培相电流和高速运行条件下，传统三相滤波器方案的体积、耐久性与工程适用性面临更严苛要求。

论文所解决的问题及意义

针对传统抑制方法需要在三相功率回路中串联磁性器件、承受大电流，或依赖与转轴直接接触等问题，论文将抑制对象从高幅值共模电压Vcm转向低幅值轴承电压Vb，在电机内部轴承电压耦合路径中直接注入补偿电压。依据戴维南等效电源定理和叠加定理，只要注入电压满足与开路轴承电压Vb_o的对消条件，理论上即可使轴承负载中的电压和电流趋于零。

该方法不需要获取随转速、载荷、温度和润滑状态显著变化的轴承阻抗，也不依赖轴承电压反馈调节，为实现小体积、低器件应力和长寿命的轴承电腐蚀抑制提供了新的技术路径。

论文方法及创新点

1、基于共模变压器原理的非接触式主动抑制结构

论文设计了有源轴承电压消除器（ABVC），由补偿电路和电机两端的共模变压器CMT1、CMT2组成。每个CMT包含两个环形磁心及一次绕组，电机转轴同时穿过磁环，并作为单匝二次绕组。补偿电路通过CMT向轴承电压耦合回路注入补偿电压，整个过程与转轴无机械接触，不存在导电环类方案的磨损和接触阻抗劣化问题

图1 抑制方法的电路配置

2、对消原理及抑制方法控制策略

通过对轴承电压高频模型进行戴维南等效并采用叠加定理分析，论文给出了完全消除轴承电压的充分条件。进一步利用两套一次绕组1∶2的匝数关系合成四电平注入电压，使其幅值与Vb_o一致；ABVC与电机控制器共用调制信息，根据SVPWM六个扇区生成同步控制信号，通过相位调节使注入电压与Vb_o保持同步，实现稳态轴承电压的直接对消。

（a）电机控制器和电机 （b）ABVC

图2 控制信号和电压波形（Ⅰ扇区）

3、针对死区和开关动态不同步提出性能提升方法

针对逆变器死区时间造成的电压畸变和残余轴承电压，论文提出ABVC死区补偿策略，通过调制信号修正与载波相位移动，使死区期间的Vb_o与注入电压继续保持同步对消。针对开关上升、下降时间不同步导致的瞬态尖峰，利用轴承电压高频模型计算Vb_o的动态过程，并据此设计SiC MOSFET的开通与关断驱动电阻，使补偿电压的上升、下降时间尽量匹配Vb_o，从而进一步降低尖峰残余。

（a）无死区补偿 （b）采用死区补偿

图3 Vb_o 和 Vb_c1 的电压波形（IU＞0, IV＜0, IW＜0）

4、完成共模变压器工程设计并验证高功率密度应用优势

论文依据磁通密度、电流密度和安装空间完成CMT参数设计，实验样机采用纳米晶环形磁心，CMT匝数比为6∶12∶1，并将装置布置在转子与端盖之间的空闲区域。进一步采用面积积AP对不同抑制方案进行量化比较。

由于本文方案不在三相功率回路中串联绕组，CMT仅承受磁化电流，其体积基本不受电机相电流增加影响；当相电流有效值超过100 A时，无源滤波器和有源滤波器的AP值分别比本文方案高4个和2个数量级，体现了面向高功率密度电驱系统的体积优势。

图4 CMT和支撑架

（a）3D剖视图 （b）关键尺寸

图5 共模变压器在电机内部的空间布局

图6 与其他抑制方法 AP 值的对比结果

5、60 kW车用永磁同步电机实验验证

论文以60 kW三相内置式永磁同步电机和SiC电机控制器为对象搭建实验平台，开关频率为20 kHz，并同时测量轴承电压和轴承电流。未采用抑制方法时，驱动端轴承电压稳定幅值达到24 V，油膜击穿时EDM轴承电流峰值达到320 mA。

采用所提方法并进行死区补偿后，轴承电压稳态阶梯波被完全消除，残余瞬态尖峰约为2.2 V，仅为原始尖峰的14.7%，实验过程中未出现击穿放电。在500、2000、3500和4000 r/min不同转速下，稳态轴承电压均可完全消除，验证了方法对运行工况的适应性。

（a）轴承电压和轴承电流的测量

（b）控制器和ABVC样机 （c）CMT固定方式

图7 实验平台设置

（a）长时间尺度

（b）区域①油膜击穿放电的细节放大

图8 Vcm, Vb1 和 ib1 波形（未采用抑制方法）

（a）长时间尺度

（b）区域⑨残余电压的细节放大

图9 采用抑制方法时的 Vcm, Vinj1, Vb_c1 和 ib1 波形（采用死区补偿）

结论

1）论文提出了一种基于共模变压器原理的电机轴承电腐蚀非接触式主动抑制方法，以电机转轴作为单匝二次绕组，在轴承电压耦合路径中注入补偿电压，可直接消除轴承电压和轴承电流。

2）提出了与SVPWM同步的控制策略、死区补偿方法以及基于轴承电压高频模型的驱动电阻设计方法，有效抑制死区效应和开关动态不同步引起的残余电压。

3）60 kW电机实验表明，所提方法能够完全消除轴承电压稳态幅值，并使开关瞬态尖峰降低85%；实验过程中轴承未出现击穿放电，验证了轴承电腐蚀抑制效果。

4）所提方案与转轴无机械接触、无需采样反馈、器件应力较低且不受轴承阻抗和运行工况影响，在高相电流场景下具有明显的磁性器件体积优势，并可进一步推广至减速器轴承、齿轮等机械负载的电腐蚀防护领域。

团队介绍

哈尔滨工业大学电磁与电子技术研究所长期从事电动汽车电机与驱动系统相关研究，在电驱系统设计、电机可靠性、电机故障诊断与控制等方向具有深厚研究基础。

团队先后承担国家“九五”重大科技产业工程电动汽车项目、“十五”“十一五”“十二五”电动汽车重大专项、“十三五”国家重点研发计划以及多项国家自然科学基金项目，取得了一系列重要研究成果。团队获得国家技术发明二等奖及省部级科技奖励7项，在电动汽车电机与驱动系统领域发表学术论文150余篇，申请国家发明专利数十项。

围绕新能源汽车高压电驱系统中的轴承电流问题，团队开展了系统研究，目前牵头制定《电动乘用车驱动电机轴承电腐蚀试验及评价方法》行业团体标准，为新能源汽车电驱系统可靠性设计提供重要技术支撑。

杨明亮

博士研究生，研究方向为新能源汽车高压碳化硅电驱系统轴承电腐蚀问题。

程远

通讯作者，教授/博导，中组部青年千人，长期从事新能源汽车技术创新与研发工作，主要研究方向包括电动汽车驱动电机设计、控制、优化，电驱系统故障诊断与辨识，新材料新结构电机，宽禁带半导体驱动控制，轴承电腐蚀等。

杜博超

博士，副教授/硕导，长期从事特种电机和电驱动系统的研究工作，专注研究永磁同步电机系统的故障诊断与先进驱动控制技术。

崔淑梅

教授，博士生导师，研究方向为包括特种电机的设计与控制、电动汽车的电力驱动系统、电机系统的数字孪生以及电机的智能测试和故障诊断。

本工作成果发表在2026年第12期《电工技术学报》，论文标题为"基于共模变压器原理的电机轴承电腐蚀非接触式主动抑制方法"。本课题为黑龙江省教育厅双一流建设资助项目。

引用本文

杨明亮, 程远, 杜博超, 崔淑梅. 基于共模变压器原理的电机轴承电腐蚀非接触式主动抑制方法[J]. 电工技术学报, 2026, 41(12): 4033-4051. Yang Mingliang, Cheng Yuan, Du Bochao, Cui Shumei. A Non-Contact Active Suppression Method for Motor Bearing Electrical Erosion Based on the Principle of Common-Mode Transformer. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(12): 4033-4051.