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2024-11-13
由于軸電壓的存在,,軸承外圈和內圈是存在電勢差,,這就導致軸電流存在。由于軸電流是造成軸承電腐蝕的關鍵因素,,因此如何控制軸電流就是預防軸承電腐蝕的關鍵,,下面介紹一些預防軸承電腐蝕的方法,大致歸為“消除電勢差”,,“軸承絕緣”,,“減小共模電流”。
01 消除電勢差
消除電勢差主要目的是讓軸的電勢與端蓋的電勢一樣,,這樣軸承內外圈的電勢一樣,,理論上也就不存在軸電流(實際上還是會有,因為軸與端蓋不可能做到0阻抗),,下面列舉幾個以該方式預防軸承電腐蝕的案例,。
下圖為特斯拉預防軸承電腐蝕專利,目的就是消除軸與端蓋的電勢差,,目前大多數方案都是按照這個變形而來,,主體是由一個導電滑環(huán)(阻抗較低),導電彈片組成,。其中滑環(huán)外圈隨著軸轉動,,內圈不動,通過導電彈片使得軸的電勢與端蓋相同,,減小軸電流(由于導電滑環(huán)還是有阻抗的,,因此電勢不是完全相同)。
圖1 特斯拉方案
由這種方案延伸而來的有長安的方案和華為的方案,,如下圖為長安預防軸承電腐蝕方案,,裝置與原理與特斯拉相似,不同是特斯拉安裝在軸內,,長安安裝在軸外側,,其中7為導電軸承(外圈不動,內圈動),8為類似特斯拉的導電片,。
圖2 長安方案
華為的方案如下,,與特斯拉相似,都是軸內部集成導電滑環(huán),,不同點就是將導電片換成有導電柱與導電片的的組合,,這種方案較特斯拉相比接觸面積變大了,阻抗相比特斯拉較小,,應該效果更好(可惜沒看到實物),。
圖3 華為方案
當然最近看到了一個有意思的方案,這個方案用導電油封代替滑環(huán)+導電片的組合,。如下圖,,4為導電油封,4.2是導電部分,,4.2.2是油封與軸接觸的部位,,4.2.1是油封與端蓋接觸的部位。這個方案原理與之前相似,,但是因為軸與油封相對運動,,導致阻抗比前幾種高,能減少的軸電流還是有限,,且耐久性還有待考驗,。
圖4 導電油封方案
那有個問題,如果直接把主軸軸承換成導電軸承,,不也可以實現將軸與端蓋"導通",,實現消除電勢差。理想是豐滿的,,實際中即使導電軸承是存在較大阻抗的,,導電軸承的方案軸電壓是有下降,,但是下降幅度遠遠不及上述方案,,因此在800V平臺只上導電軸承恐怕是遠遠不夠的。有的設計方案考慮只用電刷,,如下圖,,導電環(huán)放置在端蓋處,電刷與軸接觸末端接觸,。
圖5 電刷方案
該方法也是旨在導通軸與端蓋,,與上面只有導電軸承對比,其效果還是很明顯有較大的提升,,但是該方案穩(wěn)定性還有待考驗,,作者測了做過幾輪PTCE的樣機,軸電壓還是有著明顯的上升(20個cycle后,,軸電壓大概從5V左右升到10V),。
圖6 電刷與導電軸承軸電壓對比
以上方法原理總結下來就是:軸與端蓋導通,,且導通的阻抗要竟可能低,上述方案效果華為,,特斯拉,,長安,電刷的方案都比較不錯,,其中華為方案是我覺得最好的,,但是成本來講華為成本就比特斯拉和長安高出不少,這也應該是華為沒上這個方案原因之一吧,。
02 軸承絕緣
除了消除電勢差,,在電機中使軸承“絕緣”,可以中斷或減少軸承電流,。下圖所示為不同的軸承絕緣,,從左到右依次為陶瓷球軸承、端蓋軸承座絕緣,。
圖7 軸承絕緣方案
如果考慮用陶瓷球軸承,,那么就不存在電腐蝕了,但是這個成本比普通球軸承要貴上6~10倍左右(批產價格,,樣件更貴),,一臺電機配2個,這種成本提升是巨大的,。如果考慮軸承座絕緣,,要考慮以下幾點:
絕緣軸承座與端蓋本身的安裝配合:一般絕緣軸承座是陶瓷材料,屬于脆性材料,,這就導致與端蓋配合上需要考慮好過盈尺寸,,過小則無法承受大扭矩,過大則軸承座在安裝過程中容易裂開,。
絕緣軸承座與軸承的導熱問題:由于材料不同,,軸承與絕緣座的熱膨脹系數不一樣(一般鋼材比陶瓷熱膨脹系數高),在電機運行時軸承與軸承座的過盈量會發(fā)生變化,,如果超過臨界則會導致失效,。
因此計算好過盈量是軸承座絕緣的重要一環(huán)。減小共模電流以上兩種是針對電機的改進,,如果降低軸電壓也可以考慮降低逆變器的共模電壓,。這種電壓可以用共模濾波器來降低,磁環(huán)是一種典型的共模濾波器,,如果在逆變器三相輸出端加上共模濾波器,,則三相輸出的母排中流動的共模電流會在磁環(huán)中產生一個磁場,該磁場可阻止共模電流的變化。設計參數就是電感和電容值,。
圖8 共模濾波器
目前該方案目前成本比較高(目前逆變器直流輸入端會有濾波器,,成本大概100-200左右),并且比較占空間,。不過是個很不錯方案,,而且對比測試也很好做。
可以看到作者在大篇幅的描述消除電勢差的方案,,因為作者認為該方案的效果+成本是最優(yōu)的選擇,,當然方案可能不止這些,但是思路總是一樣的,。
內容來源自【RIO電驅動】公眾號
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