船舶电力推进中的轴电流的危害、产生原因及防范

一、轴电流的危害

  在电机的运转过程中，如果两轴承端或电机转轴与轴承间有轴电流的存在，对于电机轴承的使用寿命将大大缩短。将给船舶的航行或作业带来极大的影响，同时由于轴承损坏及更换带来的直接损失也不可小计。

二、轴电压和轴电流的产生

1.磁路不平衡产生轴电压：

 电动机因扇形冲片、硅钢片叠装及铁芯槽、通风孔等存在造成磁路中存在不平衡磁阻，且在转轴周遭有交变磁通切割转轴，因此在轴两端感应出轴电压。

2.变频器供电产生轴电压：

 电动机采用变频器供电时，由于电源电压含有高次的谐波分量，在电压脉波分量的作用下，定子绕组线圈端部、接线部份、转轴之间产生电磁感应，使得转轴的电位发生变化，从而产生轴电压。

3. 静电感应产生轴电压：

 在电动机放置位置处若周遭有较多的高压设备，在强电场的作用下，在转轴的两端感应出轴电压。

4. 外部电源的介入产生轴电压：

大型电机由于保护、测量元件接线较多，误将带电的电线接在转轴上，便产生轴电压。

5. 其它原因：

如静电荷的累积、感测元件绝缘破损等因素，都可能导致轴电压的产生。

轴电压建立后，一旦在转轴及机座、外壳间形成回路后，就产生轴电流。

图1 轴电流路径

a.  红色路径：流经电机轴承。

b.  绿色路径：流经负载轴承。

c.  金色路径：流经电机及负载轴承。

d.  蓝色路径：电流导入地网中。

※因变频器切换频率过高，而造成的电流。(频率高使得耦合电容之容抗变低)

图2 轴电流的形式及路径

三、轴电流对轴承的影响

1.正常情况下，转轴与轴承间有润滑油膜的存在，此油膜有绝缘的作用。对于较低的轴电压，润滑油膜仍有其保护其绝缘性能。

2.轴电压增加到一定数值(尤其在电动机启动时，当轴承内的润滑油膜尚未稳定形成)，轴电压将击穿油膜而放电。

3.轴电流由转轴经轴承放电，因接触面积小，在瞬间产生高温，使轴承局部烧熔。

图3 轴电流造成的条状电弧伤痕

图4 轴电流烧毁的电机

图5 轴电流造成轴承座烧熔

四、轴电流的防范

1. 轴端安装接地碳刷：

  目的在降低轴电位。需使接地碳刷可靠接地，并且与转轴可靠接触，保证转轴电位为零电位，以消除轴电流。

2. 安装绝缘轴承：

  目的在阻隔轴电流，避免轴电流直接流过轴承，而造成电弧烧伤。

3. 隔绝因磁路不平衡原因产生的轴电流：

  在轴承座和轴承支架处加装绝缘隔板，以切断轴电流回路。

4. 避免电动机其它附件导线绝缘破损造成的轴电流：

  需检查并加强导线或垫片绝缘，以消除不必要的轴电流隐患。

5. 降低变频器载波频率。

五、具体措施和原理

1.变频器输出端串联滤波器

    使PWM电压转换成正弦波电压供电给电机，但会使系统响应时间变慢。

图6变频器输出端串联滤波器

a.  良好的接地系统，可降低轴电流。

b.  变频器 – 电机之间的动力线建议采用隔离电缆，因隔离层接地可为共模电流提供一个路径导入地网中。

图7 变频电缆截面图

2. 电机 - 负载之间采用绝缘连轴器

 

图8电机 - 负载之间采用绝缘连轴器

电机- 负载之间采用绝缘连轴器，消除Shaft current。

可保护负载轴承，但因所有的轴电流流经同一路径，可能会造成电机轴承之轴电流过大。

3.电机采用接地碳刷

图9 电机采用接地碳刷

电机采用接地碳刷，而不用绝缘轴承。

建议：电机框号大于400以上，使用接地碳刷需搭配绝缘轴承使用。

4.电机非驱动端绝缘

 

图10电机非驱动端绝缘

电机非驱动端采用绝缘轴承，用以消除高频感应电流。

5.电机非驱动端绝缘、驱动端接地

图11 电机传动侧安装接地碳刷、非传动侧安装绝缘轴承

6.电机非驱动端绝缘、驱动端接地和电机及负载外壳共同接地

图12 电机传动侧安装接地碳刷、非传动侧安装绝缘轴承、以及马达与负载外壳相接且共同接地

7.电机两侧安装绝缘轴承、传动侧安装接地碳刷

图13 电机两侧安装绝缘轴承、传动侧安装接地碳刷

8. 电机传动侧安装接地碳刷、两侧安装绝缘轴承、以及马达与负载外壳相接且共同接地

图14电机传动侧安装接地碳刷、两侧安装绝缘轴承、以及马达与负载外壳相接且共同接地

图15 绝缘轴承

图16 接地碳刷（大型交流电机，通常接地碳刷安装在传动侧）

六、轴电流的结论       

为使电力推进船舶电机达到最长使用寿命，发现因变频器利用功率半导器(如IGBT)利用PWM方式形成正弦波，且含有高频载波，会使得电机的耦合电容阻抗变小，而有轴电压的产生。若轴电压形成一回路时，则产生轴电流。

轴电流将使得电机及负载轴承熔烧，导致轴承使用寿命大为缩减。

目前可以利用“接地碳刷”及“绝缘轴承”来阻隔轴电流，并且电机、变频器、机械负载需有良好的接地，可将轴电流导引至地，从而消除轴电流对电机的危害。

来源：船舶电力推进