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驱动电机轴承电腐蚀原罪—趋肤效应

新能源驱动电机轴承最常见的失效模式除了之前文章中提到的蠕变跑圈(详见电机轴承蠕变专题)以外,还有电腐蚀。其中电腐蚀的失效模式又可分为白蚀裂纹(WECs)和凹槽腐蚀(FLUTING)。

工程应用中最容易分辨及观察到的是后者,所以一般大家说的轴电流导致的轴承腐蚀说的也是后者,当然危害也是最大的。

随着新能源的发展,轴电流实际应用解决的方案已日渐成熟,常见的有轴接地、陶瓷球轴承、导电油脂等。前面的“我们从奥迪E-TRAN学到什么?”文章中有提及奥迪方案。E-TRAN电机转子具有特殊的轴接地,以避免可能的轴承电流流过滚动轴承或齿轮。同时,两个内部转子轴承设计为陶瓷轴承,以避免轴电流通过。功能是防轴承电腐蚀。

轴电流的产生以及解决方案我们不做过多的阐述,本文尝试着去讨论失效的机理。

研究表明0.01A的电流能够降低轴承的使用寿命达20%。如果只从电流数值上来说,很难理解这种低值电流到底是如何显著的损坏轴承?甚至可以达到达到肉眼可见的凹槽。

对于凹槽的形成,现在大家可以达成一致的是:

第一阶段,电流的产生:凹槽是表面之间显著电压差异引起的失效模式。

第二阶段,腐蚀过程:高温+应力。

在高温的形成上,分歧就存在了。最常见的一种理论认为凹槽是由电火花加工,也就是电弧产生高温。虽然这种理论有一定的说服力,但笔者更倾向下面的这种机理,即轴承趋肤效应导致的失效。

趋肤效应并不陌生,是阻碍扁线电机高速化发展的一大障碍。其原理简单如下:

当导体中有交流电或者交变电磁场时,导体内部的电流分布不均匀,电流集中在导体的“皮肤”部分,也就是说电流集中在导体外表的薄层,越靠近导体表面,电流密度越大,导体内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加,使它的损耗功率也增加。这一现象称为趋肤效应(skineffect)。

对于钢,如果频率为100kHz,则皮肤深度约为30um。如果频率增加到1MHz,皮肤深度减少到大约10um。因此,驱动电机轴承的高频电流主要通过很浅的钢表面。即使轴承电流强度低到mA级,但在非常浅的表面上的热积累是不容忽视的。轴承电流皮效应引起的热量积累,加上滚珠摩擦产生的热量,将导致第一轮高温。该温度并不能直接熔化钢表面,但是却能使得润滑油膜产生高温失效。最终,轴承会因为润滑油膜高温失效导致润滑不良继续升温,继而达到熔化钢表面的第二轮高温。从这个角度来说,轴电流导致的凹槽的原罪是集肤效应。

参考文章:

1.Theeffectofelectricalcurrentonprematurefailuresandmicrostructuraldegradationinbearingsteel

1.Theprevalentmotorbearingprematurefailuresduetothehighfrequencyelectriccurrentpassage

文章网址:
驱动电机轴承电腐蚀原罪—趋肤效应 http://www.zsfumei.com/daiyunfeiyong/18224.html

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