永磁同步电机轴电压的产生原因及危害

   做工控、搞电机维护的朋友注意了！据统计，轴承损坏引发的电机故障，竟然占到了电机总故障的41%，这个比例足以引起所有人重视。

   而在所有轴承故障中，轴电压引发的故障占比超40%，也就是说，每10起轴承故障，就有4起和轴电压有关。尤其是永磁同步电机（PMSM），轴电压更是隐蔽又致命的“隐形杀手”。

   很多人对轴电压不了解，其实它就是电机运行时，在转轴两端（或轴与轴承座之间）产生的电位差。它数值不算高，通常只有几伏到几十伏，却能轻易击穿轴承油膜，产生大电流，导致轴承电腐蚀，出现搓衣板状条纹、点蚀甚至烧熔，严重缩短电机寿命。

   一、轴电压是怎么产生的？主要有3类原因

   轴电压的产生不是单一因素导致的，主要分为外部原因、固有原因和其他外部因素，其中最常见的就是变频器共模电压。

   （1）变频器共模电压（最主要的外部原因）

   这是变频器驱动电机时最常见的原因。PWM变流器工作时，会产生高频共模电压，这个电压会通过电机内部的杂散电容（比如定子绕组与转子铁心之间的电容）耦合到转轴上，从而感应出轴电压。

   有研究发现，轴电压的频率和控制器的开关频率相同，波形和共模电压呈“镜像关系”，幅值大概是共模电压的3%。

   （2）磁路不平衡（固有原因）

   这是电机本身存在的问题，和是否使用变频器无关，主要分两种情况：

   一是电机设计缺陷，比如某些极槽配合（尤其是分数槽）的电机，内部齿槽效应会导致磁路不对称，从而产生“固有轴电压”；还有电枢反应磁场引起的轴电压，分数槽永磁同步电机施加三相对称或不对称电流时，通常会产生这种电压，而整数槽表贴式永磁同步电机则不会。

   二是制造与装配误差，电机制造时或长期运行后，可能出现转子偏心（转子与定子不同心），这会破坏气隙磁场的均匀性，进而感应出轴电压。

   （3）其他外部因素

   外部电源不平衡、接地不良，或者负载存在静电等，也可能在转轴上感应出轴电压，虽然概率不高，但也不能忽视。

   二、轴电压的危害

   其实轴电压本身并不可怕，真正危险的是它引发的轴电流，尤其是对轴承的破坏，一步步拖垮电机。

   电机正常运转时，轴承内部的滚动体与滚道之间，会有一层薄薄的润滑油膜，既起到润滑作用，也能充当电绝缘介质。轴电压较低时，油膜能承受住；但一旦轴电压超过油膜击穿阈值，油膜会被瞬间击穿，产生电火花放电。

   这种放电电流虽然每次都很短暂，但长期累积下来，危害极大：

   1.  电蚀凹坑：放电产生的局部高温，会让轴承接触面金属熔化，形成微小的“搓衣板”状凹坑，破坏接触面光洁度；

   2.  油脂劣化：放电火花和高温会加速润滑油脂变质，让它失去润滑功能；

   3.  噪声与振动：轴承磨损加剧，电机运行时会出现异常噪声和振动；

   4.  轴承抱死与停机：最终，轴承过度磨损会引发过热，甚至抱死，导致电机意外停机，影响整个系统安全稳定运行。

   对于永磁同步电机来说，轴电压引发的故障隐蔽性强，初期很难发现，等出现明显异常时，轴承往往已经严重损坏，不仅维修成本高，还会影响生产进度。

   搞电机维护的朋友，一定要重视轴电压的危害，提前排查相关隐患，才能减少轴承故障，延长电机使用寿命。