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電機軸承的電蝕

電機軸承的電蝕

 

為提高電動機效率,變頻器控制是有效的手段之一,提高控制頻率(載頻)可使電動機更高效工作,而隨著載頻提高,高頻電流流過軸承會產生電蝕,這種損傷也稱為高頻電蝕。其在2004年之前很少見,但之后在家電和工業設備的變頻控制電動機中越來越常見。下面就介紹通用電動機和家用電動機用小型電機軸承電蝕的應對方法和特點。

 

高頻電蝕與常規電蝕的現象相同,即旋轉期間電流流過套圈和滾動體間的接觸區,使接觸表面發生部分熔化,變得粗糙。在明顯電蝕的情況下偶爾也出現緞狀表面或波紋狀磨損,稱為脊狀印痕或瓦楞槽(下文稱為脊痕)。高頻電蝕特指由變頻設備高頻噪聲帶來的軸承損傷,定義為安裝在變頻控制旋轉設備(電動機等)或靠近變頻控制設備附件的旋轉設備中的軸承產生的現象。圖1為由高頻電蝕在變頻驅動風扇電機軸承上引起的脊痕。稱之為脊痕的粗糙峰發生在一套軸承滾動體數的整數倍的位置處,因滾動體滾過這樣的粗糙表面而引起非常大的噪聲和振動,導致旋轉設備噪聲增大、可靠性降低。圖2為脊痕的掃描電鏡( SEM)照片,觀察到大量微小放電印痕,且已證實滾動體滾過引起某些特征發生變形。

1 6201球軸承內圈溝道上的脊痕


2 6201球軸承內圈溝道上脊痕的SEM照片

NSK通過高頻電蝕的再現試驗,研究了軸承絕緣擊穿電壓與油膜參數Λ、軸承振動與油膜參數、高頻電流與軸承振動等關系,給出了抑制和防止高頻電蝕的措施:

1)與電力分布有關的措施

減小Λ;

使用導電脂;

使用導電密封。

2)與絕緣有關的措施:

增加Λ;

使套圈或滾動體絕緣。

 

油膜參數最小化

通過將Λ保持在較小水平可抑制軸承振動水平上升,然而在實際旋轉設備中,Λ隨潤滑劑、轉速、溫度及載荷而變化,難以控制。另外,當Λ太小時套圈和滾動體直接接觸的風險增加,可能引起磨損或卡死失效。盡管在延長高頻電蝕的壽命方面有效,但不是一種完美的防止措施。

 

采用導電脂

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

 

采用導電密封

當內外圈間產生旁路時,通過在接觸密封的橡膠中加入碳粉可使軸承導電,可抑制流過軸承的電流。但是與導電脂的情況類似,電阻值隨時間而增加,認為是導電密封與動圈的接觸面積逐漸磨小,導致導電性失效;或是因為預填潤滑脂的泄漏在密封接觸區形成了油膜,失去導電性。

 

油膜參數最大化

同上面分析的一樣,Λ隨潤滑劑、轉速、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性能。陶瓷具有非常大的絕緣電阻且不像油膜那樣不穩定,所以使用這種材料作為應對措施最有效。從方便、工作性能及成本考慮,在通用電動機和家用電動機所用直徑相對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驗證結果如圖3所示。與裝有正常鋼球的軸承相比,預填導電脂的軸承或配有導電密封的軸承減小了高頻電蝕損傷(振動增加),但難以徹底避免這種損傷,在試驗后檢測軸承內部仍觀察到高頻電蝕損傷。因為裝有陶瓷球的軸承不傳導高頻電流,軸承振動極少上升,且試驗后檢測軸承內部未觀察到高頻電蝕損傷。

3 由高頻電蝕引起的軸承振動上升的實測結果

電機的類型繁多,電機軸承的配置多樣,為了防止電機軸承產生電蝕,人們采取了各種措施,如套圈的絕緣涂層、陶瓷滾動體、絕緣端蓋(端蓋與機座連接部分的絕緣)、涂層軸、附加電刷短路、導電脂等等,但單一方法各有優缺點,有些損傷機理還有待進一步了解,需要在應用和研究中不斷探索。

 

 

 


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