论文部分内容阅读
[摘 要]通过对广州地铁128增购项目牵引电机存在批量异响问题进行分析，查找可能引发故障的原因。根据检修现场情况，组织现场服务组开展轴承检测，提出轴承电腐蚀隐患解决措施，以消除电机异响及延长使用寿命。相信在研究城市轨道技术中会起到积极作用。
[关键词]牵引电机、轴承、电腐蚀、状态检测、抑制措施
中图分类号：U264.82 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）21-0256-02
0 引言
广州地铁128增购项目共32列车，车型为六辆编组的A型车，动拖比为四动两拖，列车最高速度80km/h，采用架空接触网DC1500V受电。牵引电机是地铁车辆将电能转换为牵引力的重要部件，直接影响行车安全和运营服务水平，本文针对相继出现牵引电机批量异响问题，在介绍轴承电腐蚀故障现象的基础上，分析轴承电腐蚀产生的原因，并提出对策和措施，以保障现场车辆及电机的运营安全。
1 轴承电腐蚀故障现象
广州地铁128增购项目自投入运营以来，部分牵引电机异响较大，先期更换并拆解了4台异响较大的电机，发现4 台电机非传动端6215 轴承的外圈滚道均出现了发暗的波纹状凹槽（见下图），传动端NU216 轴承未见异常。
综合以上轴承检测情况，对轴承的失效形式分析结论为：由于电流通过轴承，在轴承的外圈滚道均出现了明显电蚀的周期性条纹状痕迹；由于电流通过，会在轴承的滚道（接触位置）产生金属的熔融和细小的熔融泡，这些表面缺陷的形成能够加速轴承的磨损，并且也会在熔融位置产生烧伤组织，滚道的烧伤组织液证明了电蚀的存在。
2 轴承电腐蚀产生的原因分析
轴承中有电流存在是轴承发生电腐蚀的必要条件。根据GB20161-2008《变频器供电的笼型感应电动机应用导则》（IDT IEC60034-17-2006），轴承电流产生的原因主要有以下两种：
1、 电机本身结构原因
当电机由正弦波供电时，电机定子轭部环路磁通会在由轴、轴承、端盖和机座（见下图）组成的闭合导电回路中产生轴电压。
当轴电压超过500mV（峰值），有可能在上述环路中产生环流，在相对短的时间内损害轴承。该环路磁通是由定子轭部的不对称引起的。针对这种原因产生的电腐蚀可以一端或者两端采用绝缘轴承来有效地阻断轴电流。
2、电压型变频器供电原因
当电动机由电压型变频器供电运行时，会存在一个全新的轴承电流源，即所谓的高频共模电压。
2.1 PWM变频器产生的高频共模电压
两电平电压源型变频器在常规的PWM控制方式下，输出端U、V、W输出的电压尽管相位互差120，但三者之和并不为零，即存在很高的共模电压（也叫零序电压）。
高频共模电压会在电动机转轴上感应出高的轴电压，并形成轴承电流，使电动机的轴承在短期内造成电气原因的损坏，缩短电机使用寿命。
2.2 PWM输出电压脉冲的dv/dt
由于PWM技术所固有的脉冲性质，PWM变频器输出的电压脉冲在很短时问内快速上升或下降，即存在很高的电压变化率dv/dt，如对于常用的绝缘栅双极晶体管IGBT，其dv/dt最高可达20000 V/μs，当高频的dv/dt作用在电机内部的寄生电容上时，不仅会产生充放电电流，而且还会由于电容的累积作用使得转子轴电压升高。
3 共模电路模型
共模电压是因变频器的拓扑结构和控制方式而固有的，它特别包含了与输出电压的谐波分量有关的频率分量。三相共模电压是相同的，可以看做是电压的零序分量。图4为共模模型的典型电路，图中轴承电压ubrg是共模电压ucm的镜像，当轴承电压超过30V时，会产生短时的放电电流（EDM电流），造成轴承的蚀损。
共模电压的幅值与共模电流的阻抗（尤其是电抗）有关，共模电流最终流到逆变器的中心点。
共模电流流经轴承有以下3种途径：①流经与图3相同回路的环流可由高频环路磁通引起，与定子轭部的不对称性无关，而与电流流经绕组和铁心之间的电容有关。②如果电机轴端的电位更接近于逆变器的接地地位而非电机机座电位，脉冲式的电容电流将流经电机轴承，尤其是驱动端轴承。③如果定子铁心和机座能很好接地，存在于轴承径向间隙的电容耦合产生能被测量的所谓轴承电压，轴承电压为共模电压的镜像。共模电压的大小与定子绕组与转子之间的电容、转子与机座之间的电容以及轴承本身的电容有关。如果轴承电压超出其击穿电压值，还会出现短时的放电电流（ElectrostaticDischarge Machining，EDM）。放电电流的重复频率随轴承电压数值和脉冲频率的增加而增加。
3 抑制轴承电腐蚀建议措施
根据理论分析及试验结果，本项目可以从以下五个方面采取优化措施。
1. 选择合适的逆变器负极EMI电容
结合车辆的结构及接线原理，对车辆轴电流电路进行简化，如图5所示，选择合理的电容可以为轴承电流提供支路，从而使轴承电流减小。
在负极和逆变器之间选择合适参数的EMI电容，电容的具体安装位置尽可能接近逆变器负极，接线线尽可能短，采用软铜绞线等，尽量降低电路的电感值，必须采用无感电容。
2.改变接地方案
在满足整车接地标准的前提下，调整接地电阻的接入位置，将接地电阻电气位置改为安装在构架与接地轴端之间，降低线路感抗值，为轴承电流提供低抗支路，从而使轴承电流减小。根据试验数据，该方案能在一定程度降低电机轴电压。
3.逆变器侧增加滤波器
在逆变器的输出端进行滤波。可以吸收输出电压的高次谐波 ， 能适当降低输出脉冲电压上升沿的 du/dt 值 ， 达到抑制轴承电流的目的。建议可以进行以下四种滤波方向进行可行性分析。
4.优化逆变器控制软件
优化逆变器软件，调整IGBT开关控制，在保证逆变器输出转矩的同时，适当降低du/dt。
5.采用更高性能的电机绝缘轴承
目前绝缘轴承有3种类型：外圈绝缘轴承，内圈绝缘轴承，陶瓷混合滚子轴承。
由于外圈涂层的绝缘轴承只能绝缘低频轴电压，而不能有效绝缘高频轴电压，电压需靠润滑油膜承受，因此比内圈绝缘的轴承更容易产生轴电流而发生电腐蚀。但内圈绝缘轴承对轴承装配等的要求很高。
陶瓷混合轴承能有效防止电腐蚀，目前已有电机厂商（如ABB）在地铁、高铁等轨道交通领域成功运用。因此建议展开陶瓷混合轴承可行性研究。
4 结束语
通过现场试验与分析，基本确定了广州128项目轴承电腐蚀故障的主要原因，同时提出了相应的改善措施。现有广州128项目采用该措施后大大提高了牵引电机的使用寿命，确保了地铁车辆运行安全。
参考文献：
[1] 王静，徐进. 变频电机轴电流形成原因及防范措施[J]，聚酯工业，2012（6）：32
[2] 李秀英，杨秀军. GB/T 20161-2008 變频器供电的笼型感应电机应用导则[J].电机与控制应用，2009（6）：60
[3] 林沛扬. 广州地铁三北线牵引电机轴承烧损原因分析及对策《机车电传动》2015，1
[关键词]牵引电机、轴承、电腐蚀、状态检测、抑制措施
中图分类号：U264.82 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）21-0256-02
0 引言
广州地铁128增购项目共32列车，车型为六辆编组的A型车，动拖比为四动两拖，列车最高速度80km/h，采用架空接触网DC1500V受电。牵引电机是地铁车辆将电能转换为牵引力的重要部件，直接影响行车安全和运营服务水平，本文针对相继出现牵引电机批量异响问题，在介绍轴承电腐蚀故障现象的基础上，分析轴承电腐蚀产生的原因，并提出对策和措施，以保障现场车辆及电机的运营安全。
1 轴承电腐蚀故障现象
广州地铁128增购项目自投入运营以来，部分牵引电机异响较大，先期更换并拆解了4台异响较大的电机，发现4 台电机非传动端6215 轴承的外圈滚道均出现了发暗的波纹状凹槽（见下图），传动端NU216 轴承未见异常。
综合以上轴承检测情况，对轴承的失效形式分析结论为：由于电流通过轴承，在轴承的外圈滚道均出现了明显电蚀的周期性条纹状痕迹；由于电流通过，会在轴承的滚道（接触位置）产生金属的熔融和细小的熔融泡，这些表面缺陷的形成能够加速轴承的磨损，并且也会在熔融位置产生烧伤组织，滚道的烧伤组织液证明了电蚀的存在。
2 轴承电腐蚀产生的原因分析
轴承中有电流存在是轴承发生电腐蚀的必要条件。根据GB20161-2008《变频器供电的笼型感应电动机应用导则》（IDT IEC60034-17-2006），轴承电流产生的原因主要有以下两种：
1、 电机本身结构原因
当电机由正弦波供电时，电机定子轭部环路磁通会在由轴、轴承、端盖和机座（见下图）组成的闭合导电回路中产生轴电压。
当轴电压超过500mV（峰值），有可能在上述环路中产生环流，在相对短的时间内损害轴承。该环路磁通是由定子轭部的不对称引起的。针对这种原因产生的电腐蚀可以一端或者两端采用绝缘轴承来有效地阻断轴电流。
2、电压型变频器供电原因
当电动机由电压型变频器供电运行时，会存在一个全新的轴承电流源，即所谓的高频共模电压。
2.1 PWM变频器产生的高频共模电压
两电平电压源型变频器在常规的PWM控制方式下，输出端U、V、W输出的电压尽管相位互差120，但三者之和并不为零，即存在很高的共模电压（也叫零序电压）。
高频共模电压会在电动机转轴上感应出高的轴电压，并形成轴承电流，使电动机的轴承在短期内造成电气原因的损坏，缩短电机使用寿命。
2.2 PWM输出电压脉冲的dv/dt
由于PWM技术所固有的脉冲性质，PWM变频器输出的电压脉冲在很短时问内快速上升或下降，即存在很高的电压变化率dv/dt，如对于常用的绝缘栅双极晶体管IGBT，其dv/dt最高可达20000 V/μs，当高频的dv/dt作用在电机内部的寄生电容上时，不仅会产生充放电电流，而且还会由于电容的累积作用使得转子轴电压升高。
3 共模电路模型
共模电压是因变频器的拓扑结构和控制方式而固有的，它特别包含了与输出电压的谐波分量有关的频率分量。三相共模电压是相同的，可以看做是电压的零序分量。图4为共模模型的典型电路，图中轴承电压ubrg是共模电压ucm的镜像，当轴承电压超过30V时，会产生短时的放电电流（EDM电流），造成轴承的蚀损。
共模电压的幅值与共模电流的阻抗（尤其是电抗）有关，共模电流最终流到逆变器的中心点。
共模电流流经轴承有以下3种途径：①流经与图3相同回路的环流可由高频环路磁通引起，与定子轭部的不对称性无关，而与电流流经绕组和铁心之间的电容有关。②如果电机轴端的电位更接近于逆变器的接地地位而非电机机座电位，脉冲式的电容电流将流经电机轴承，尤其是驱动端轴承。③如果定子铁心和机座能很好接地，存在于轴承径向间隙的电容耦合产生能被测量的所谓轴承电压，轴承电压为共模电压的镜像。共模电压的大小与定子绕组与转子之间的电容、转子与机座之间的电容以及轴承本身的电容有关。如果轴承电压超出其击穿电压值，还会出现短时的放电电流（ElectrostaticDischarge Machining，EDM）。放电电流的重复频率随轴承电压数值和脉冲频率的增加而增加。
3 抑制轴承电腐蚀建议措施
根据理论分析及试验结果，本项目可以从以下五个方面采取优化措施。
1. 选择合适的逆变器负极EMI电容
结合车辆的结构及接线原理，对车辆轴电流电路进行简化，如图5所示，选择合理的电容可以为轴承电流提供支路，从而使轴承电流减小。
在负极和逆变器之间选择合适参数的EMI电容，电容的具体安装位置尽可能接近逆变器负极，接线线尽可能短，采用软铜绞线等，尽量降低电路的电感值，必须采用无感电容。
2.改变接地方案
在满足整车接地标准的前提下，调整接地电阻的接入位置，将接地电阻电气位置改为安装在构架与接地轴端之间，降低线路感抗值，为轴承电流提供低抗支路，从而使轴承电流减小。根据试验数据，该方案能在一定程度降低电机轴电压。
3.逆变器侧增加滤波器
在逆变器的输出端进行滤波。可以吸收输出电压的高次谐波 ， 能适当降低输出脉冲电压上升沿的 du/dt 值 ， 达到抑制轴承电流的目的。建议可以进行以下四种滤波方向进行可行性分析。
4.优化逆变器控制软件
优化逆变器软件，调整IGBT开关控制，在保证逆变器输出转矩的同时，适当降低du/dt。
5.采用更高性能的电机绝缘轴承
目前绝缘轴承有3种类型：外圈绝缘轴承，内圈绝缘轴承，陶瓷混合滚子轴承。
由于外圈涂层的绝缘轴承只能绝缘低频轴电压，而不能有效绝缘高频轴电压，电压需靠润滑油膜承受，因此比内圈绝缘的轴承更容易产生轴电流而发生电腐蚀。但内圈绝缘轴承对轴承装配等的要求很高。
陶瓷混合轴承能有效防止电腐蚀，目前已有电机厂商（如ABB）在地铁、高铁等轨道交通领域成功运用。因此建议展开陶瓷混合轴承可行性研究。
4 结束语
通过现场试验与分析，基本确定了广州128项目轴承电腐蚀故障的主要原因，同时提出了相应的改善措施。现有广州128项目采用该措施后大大提高了牵引电机的使用寿命，确保了地铁车辆运行安全。
参考文献：
[1] 王静，徐进. 变频电机轴电流形成原因及防范措施[J]，聚酯工业，2012（6）：32
[2] 李秀英，杨秀军. GB/T 20161-2008 變频器供电的笼型感应电机应用导则[J].电机与控制应用，2009（6）：60
[3] 林沛扬. 广州地铁三北线牵引电机轴承烧损原因分析及对策《机车电传动》2015，1