电机系统中的轴电压是如何产生的？

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。轴电压的主要来源为磁通不对称、静电感应和变频供电。

1 磁通不对称产生的轴电压

造成电机磁通不对称的主要原因包括转子偏心、绕组不对称、铸造缺陷、磁导率不均匀、逆变器产生的三相电压不平衡等。电机旋转过程中转轴切割磁感线，产生轴电压，如果轴电压高于油膜击穿电压阈值，造成油膜击穿，则在“定子机壳-驱动端轴承-转子轴-非驱动端轴承”回路中产生环流，流通路径如图1所示。

图1 磁通不对称引起的轴电流流通路径

2 静电感应产生的轴电压

由于轴承不同材料的接触、摩擦行为，特别是在润滑油脂等介电材料表面，导致不同材料表面之间的电荷分离，并积累大量静电荷。由于静电场的存在，在转轴和地之间形成电压差。当静电场达到空气或润滑油脂的击穿强度时，积聚的电荷被释放，形成放电电流，放电示意图如图2所示。

图2 摩擦生电引起的放电

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3 变频供电产生的轴电压

在现代电机控制系统中，广泛采用IGBT等功率开关器件实现电机的调速控制。在典型的交流电机中，由于定子、转子、绕组等各部位之间存在气隙、绝缘层等电介质，故电机内部存在复杂的电容系统。杂散电容在高频共模电压作用下，会形成低阻抗通路，在轴承两端感应出轴电压。在电机系统中引入高频谐波畸变，产生幅度变化更大的高频轴电压，对电机轴承造成损伤的概率更大。三角形绕组连接的电机虽然没有中性点，但逆变器的输出不平衡仍然会造成“共模”效应。

图3 交流电机的杂散电容

本文摘编自《电工技术学报》，原文发表在2024年第20期，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的支持。