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在IEC 60079-0:2017版的17.3 bearings和附录H （Shaft voltages resulting in motor bearingor shaft brush sparking Discharge energy calculation）中，介绍了电机转轴上感应产生的电压引起放电的危害及电流、电容的计算方法。但是由于标准篇幅有限，只描述了计算方法，而对相关背景知识没有过多介绍，导致不熟悉电机的人员在看到这个条款时很茫然，无从下手。 实际电机轴电流的问题在感应电机产生之初就已经引起相关人员的注意，但这些研究主要集中在轴电流对轴承寿命的影响。如JayErdman, Russel J. Kerkman等人就在《Effect of PWM Inverterson AC Motor Bearing Currents and Shaft Voltages》中详细研究了电机轴电流的产生原理、测量方法、消除手段等，IEC60079-0:2017标准中也引用了这一文章。 但是在防爆安全领域，轴电压引起的危害还是首次写入标准中。 在感应电机中，由于定子绕组的电磁感应作用，对电机转子上的导体产生电磁力使转子旋转。但实际情况下，不平衡的定子绕组电磁场也会在转轴上产生感应的电压，这个电压一般较小，不足以击穿轴承的绝缘，对轴承寿命无显著影响。 随着电机及驱动技术的发展，电机功率越来越大，变频驱动技术引起的高频谐波等，导致转轴上感应的轴电压越来越大，产生的危害越来越显著，表现在机械部件上，当轴电压过大击穿轴承绝缘时，由于轴承上接触面积小，放电电流融化接触点金属，破坏轴承表面质量，加速轴承损坏。这种损坏通常表现为轴承滚道上搓板状的磨损；表现在电路上，电机轴、轴承的绝缘击穿，引起杂散电流放电，可能点燃环境中的可燃物质，引起爆炸事故。 由于轴电流引起损坏的轴承上搓板状磨损
目前，针对轴电流危害主要的预防措施包括：采用绝缘轴承、对轴承和轴采取绝缘措施、加强接地、增加滤波。但未考虑杂散电流的点燃危险。 在IEC60079-0:2017的附录H中，介绍了轴电压引起的轴承放电的评价要求和放电能量的计算方法。 首先，对于那些轴承被防爆措施保护的电机，如隔爆外壳型或正压型电机，由于轴承安装在保护型式内，即使轴承放电，由于点燃能量仅引起外壳内部的点燃（隔爆型）或者轴承与爆炸性环境不接触（正压外壳型），而无法点燃周围环境，可以不考虑这一危害。但是对轴承无防爆措施保护的设备，如安装在隔爆外壳或正压外壳的外部、增安型电机，就需要考虑轴电压的放电危害了。 轴承在隔爆外壳内部 轴承在隔爆外壳外部 放电能量的计算 由于电机可以看作是机座（frame）、转子（rotor）、定子（stator）、轴承（bearing）等导体组合而成，在其配合处存在一定的间隙，因此可以看作是一系列电容组合而成的一个电路。其中在机座与定子、定子与转子、转子与轴承盖（下图未体现）、轴承内部等都可以视为电容。 电机的电容等效模型 这些电容根据结构可以分为两类，圆柱形电容、轴承电容。其中定子与转子、滑动轴承等都可以视为圆柱形电容；球轴承、滚子轴承为轴承电容。 圆柱形轴承的结构为：圆柱形的导体被圆筒形导电包围，之间有一定的间隙，金属表面有润滑油脂，相当于将平板形电容弯曲成筒形。其电容计算公式为： 其中： ε0为空气的介电常数（F/m，通常用8.85*10-12）； ε为导体间其它物质的介电常数（F/m，对润滑油脂，通常用18*10-12~25*10-12；需要注意的是，通常材料的参数给的是相对介电常数，需要换算成实际介电常数计算）； l为圆柱面的长度（m）； a为外直径（m，应当为轴或转子的外直径）； b为内直径（m，应当为轴承套或定子的内直径。） 圆柱形电容计算尺寸位置
轴承形电容结构为轴承内外套之间有轴承滚珠或滚针，滚珠滚针与内外套之间有微小的径向游隙，一般为几十μm，金属之间有一层薄的润滑油脂形成的膜，厚度通常为50Å（1Å=10-10m）,单个滚珠形成的电容包含两个串联的各滚珠滚针之间形成并联的电容。 滚动轴承电容模型 计算公式为： 其中： Nb为滚球数量； ε0为空气的介电常数（F/m，通常用8.85*10-12）； εr为润滑脂的相对介电常数（此处是相对介电常数，而不是上式中的实际介电常数计算）； Rb为轴承滚珠的半径（m）； Rc为径向轴承间隙（m）； 其中Rb、Rc可以查询相应的轴承标准获得。 在计算时需要注意，径向轴承间隙并不是固定的，当轴承处于静止状态或慢速旋转时，单边间隙较小，当轴承高速旋转时，由于滚珠运动趋于稳定，基本保持在内外套的中间位置，此时的径向间隙较大。当径向间隙小时，润滑油脂薄膜厚度也小，容易被击穿，因此，轴承在启动、停止的时段更容易损坏。
轴承滚珠接触示意图 当计算出电容数值后，可以和标准中的H.4规定的曲线进行比较，也可以计算电容的能量与表H.1中规定进行比较。这里都需要用到电容两极的电压。
轴电压测量示意图
由于感应电压很低，而且电机工作时的干扰大，在测量时需要避免电机供电电压对其的干扰，由于目前对此测量方法的研究已经很多了，就不再详细叙述。 当测量得到电容两极电压后，其储存能量计算公式为：
在测量得到参数后，就可对轴电压的电容放电风险进行量化的评估，并对风险较高的结构进行针对性的改进。 在对典型电机结构及轴承进行计算后，发现相关电容的数值一般在皮法级，均不到微法级，从标准的角度来看，点燃风险很低。但是与有些文献中的计算结果有较大差异，这主要是计算方法不一致，以及计算时所用结构参数差异。因此，需要进行更深入的研究，以便找出准确的计算方法或者取结构参数的系数。 总结 随着技术的发展，人们对轴电压引起的危害越来越重视，尤其是用于爆炸危险场所的电机，轴电压引起的放电不仅仅加速轴承的损坏，还能引起杂散电流点燃爆炸性环境，造成严重的事故，在最新的IEC60079-0标准中提出了对其的评价方法，但是由于缺乏相应的实践经验，测量方法、评定过程还需在工作中不断完善。 由于轴承的径向游隙对轴承电容影响很大，而径向游隙本身不固定，且相对变化率很大，取值对计算结果影响很大。目前也很难准确测量轴承电容，主要靠测量电压与电流的方法确定，实际操作不方便，需要检验机构在今后的工作中不断改进测量方法，提高测量的准确度与效率。 参考文献 Erdman J M, Kerkman R J, Schlegel D W,et al. Effect of PWM inverters on AC motor bearing currents and shaftvoltages[J]. IEEE Trans on Industry Applications, 1996, 32(2):250-259. Busse D, Erdman J, Kerkman R J, et al.System electrical parameters and their effects on bearing currents[C]// AppliedPower Electronics Conference and Exposition, 1996. Apec '96. ConferenceProceedings 1996. Eleventh. IEEE, 1997:570-578 vol.2. 马喜平. 电机轴电流问题中轴承等效电容和电阻的计算模型[C]// 甘肃省电机工程学会2014年学术年会. 2014. 郭程. 变频技术对交流电动机轴电流的影响与预防[J]. 大电机技术, 2008, 34(3):23-25. Rajendra K. Dhatrak,Rajesh K. Nema and Dinesh M.Deshpande. COMPARATIVE ANALYSIS OF COMMON MODEVOLTAGE, BEARING CURRENT AND SHAFT VOLTAGE OF DIODE CLAMPED SPWM MULTILEVELINVERTER FED INDUCTION MOTOR[J]. Electrical and Electronics Engineering: AnInternational Journal (ELELIJ) Vol 4, No 1, February 2015 刘欣, 孙力, 孙亚秀. PWM驱动系统中感应电动机轴电压轴电流研究[J]. 微电机, 2007, 40(9):5-8. 高峰, 吴亚旗. 变频电机轴电流分析及对策[J]. 电机技术, 2007(4):25-27. Tamura S, Akagi H. A passive EMI filterwith access to the ungrounded motor neutral line-Its effect on attenuatingbearing current[J]. Electrical Engineering in Japan, 2010, 166(2):78-87. |
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