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绝缘轴承是抑制变频电机轴承电腐蚀的重要手段，但是目前绝缘涂层参数对轴电流抑制效果的影响尚不清晰。针对这一问题，北京交通大学轴电流课题组通过建立变频电机高频轴电流等效电路模型；分析了全膜润滑稳态和放电击穿瞬态过程中，绝缘轴承对于轴电压、轴电流的抑制效果，以及改变涂层厚度、介电常数所带来的影响；搭建了变频电机轴电流测试平台，设计了绝缘轴承和普通轴承的对比试验，对模型及分析结果的准确性进行了验证。
研究背景
随着碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等新一代宽禁带半导体器件的推广，变频电机驱动系统朝着高压、高频化、高集成化的方向发展，轴承电腐蚀问题愈加突出。绝缘轴承因其具有安装便捷、可靠性高、通用性强的优势，成为轨道交通、电动汽车等领域主要采用的电腐蚀抑制方法。
论文所解决的问题及意义
由于变频电机轴电流以交流高频成分为主，在高频扰动激励下，绝缘涂层的绝缘性能有所下降。目前，绝缘涂层参数对轴电流抑制效果的影响尚不清晰。建立变频电机高频轴电流等效模型，量化分析改变绝缘涂层参数对轴电流抑制效果的影响，可以为绝缘轴承的设计与抑制效果的评价提供理论依据。
论文方法及创新点
（1）变频电机轴电流等效电路建模
变频电机高频轴电流的产生，一方面与共模电压在电机内部寄生电容上的耦合分压有关；另一方面与轴承润滑和载流摩擦特性有关。本文以一台190kW异步电机为例，建立了电机-轴承耦合的轴电流等效电路模型，如图1所示。
图1 变频电机轴电流等效电路模型
（2）绝缘轴承抑制机理与效果分析
全膜润滑稳态过程中，轴电压是共模电压在电机内部的分压映射。选取轴承分压比（BVR, Bearing Voltage Ratio）作为衡量指标，研究了绝缘轴承涂层厚度、材料的变化对轴承分压比的影响。放电击穿瞬态过程中，抑制效果与放电击穿瞬时轴电流的频率特性密切相关。选取轴电流峰值作为评价指标，研究了绝缘涂层等效电容和油膜击穿电阻对轴电流峰值的影响。
图2 绝缘涂层参数变化对绝缘性能的影响
（3）绝缘轴承抑制效果的实验评价
研究建立了变频电机轴电流测试平台（如图3所示），对模型与分析结果进行验证。对被测电机非驱动端端盖和轴承进行改造，使其具备轴承油膜电压、绝缘涂层电压和轴电流的测试能力，如图3（b）所示。
图3 放电击穿瞬态过程以及涂层参数变化的影响
设计了外加电压试验和变频供电实验。由于当轴电压超出油膜击穿阈值时，放电击穿随机发生，轴电压在绝缘涂层和轴承油膜上的分压比例动态变化。根据涂层电压、油膜电压的大小关系，可以将轴承油膜区分为击穿状态和非击穿状态，如图4所示。
图4 外加电压测试与变频供电测试结果
利用绝缘轴承和普通轴承在不同转速下进行对比测试，分析了不同工况下绝缘轴承对于轴电压和轴电流的实际抑制效果。
图5 放电击穿瞬态过程以及涂层参数变化的影响
结论
本文针对绝缘轴承对变频电机轴电流的抑制机理与抑制效果进行研究，得出如下结论：
（1）在轴承润滑油膜未击穿时绝缘轴承涂层电容可以分担一部分轴电压，从而减小油膜被击穿的概率，但是在全膜润滑状态下抑制效果有限。
（2）绝缘轴承对轴电压的抑制效果受到绝缘涂层的厚度及介电常数的影响，可结合轴电压阈值对绝缘涂层厚度及材料参数进行设计。
（3）增大绝缘涂层电容能够有效降低油膜击穿后的轴电流。不仅能降低轴电流的幅值，并且会使放电活动度下降。
（4）绝缘轴承对轴电流的抑制效果受到击穿电阻的影响，预先进行不同工况下击穿电阻的测试，再根据相应的抑制目标，设计涂层参数。
团队介绍
由北京交通大学刘瑞芳教授牵头的轴电流课题组长期围绕变频供电交流电机轴电流的产生机理、预测模型、抑制方法和测试技术进行研究。主持/参与国家/省部级项目18项，发表高水平论文80余篇，授权国家发明专利7项。研究成果应用于解决风力发电、轨道交通和新能源汽车领域的电机轴承电蚀问题。
本工作成果发表在2024年第4期《电工技术学报》，论文标题为“绝缘轴承对变频电机高频轴电流的抑制机理与效果”。本课题得到中央高校基本科研业务费专项项目、北京市自然科学基金项目和2021 年高功率高效电驱动总成系统开发及产业化项目的支持。
引用本文
李知浩, 刘瑞芳, 张亮亮, 李伟力, 赵秦聪. 绝缘轴承对变频电机高频轴电流的抑制机理与效果[J]. 电工技术学报, 2024, 39(4): 1046-1058. Li Zhihao, Liu Ruifang, Zhang Liangliang, Li Weili, Zhao Qincong. The Suppression Mechanism and Effects of Insulated Bearings on High Frequency Bearing Current. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(4): 1046-1058.
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