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船舶推進電機絕緣軸承

近年來船舶電力推進系統(tǒng)需求日趨增多，交流變頻調(diào)速應(yīng)用日趨廣泛。采用變頻調(diào)速不但能實現(xiàn)電機無級調(diào)速，而且可以在不同應(yīng)用場景和不同負載條件下使電動機始終運行在高效區(qū)，并確保優(yōu)良的動態(tài)特性。隨著推進電機容量的不斷增大，軸電流導致電機損傷事故屢有發(fā)生，設(shè)計時應(yīng)該重視由軸電流引起的危害。

軸電流產(chǎn)生機理和危害

船舶交流電力推進系統(tǒng)一般包括推進變壓器、推進變頻器和推進電機，變頻器一般采用電壓型兩電平交-直-交拓撲方案，變頻器采用模塊化設(shè)計，包括整流單元、制動單元、逆變單元等組成，力求達到較大的功率密度和高可靠性，主回路示意圖如下圖。

變頻驅(qū)動系統(tǒng)運行時，轉(zhuǎn)軸與軸承之間產(chǎn)生的電壓叫做軸電壓，若軸承絕緣不佳，則會通過軸承、軸承座或機座等構(gòu)成回路，軸電流就產(chǎn)生了。軸電壓是隨著電機的旋轉(zhuǎn)運行就存在的，一般普通工頻電機軸電壓產(chǎn)生主要是由電容電流、單極效應(yīng)或磁路不對稱等因素造成，最終還是由磁通脈動造成的，在正弦波供電的情況下，軸電壓較小，危害不大"。

但是對于船舶電力推進系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的變頻電機大都采用變頻供電，這時電機的軸電壓主要是由于電源三相輸出電壓不平衡的零序分量產(chǎn)生。變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)中諧波高頻成份多，高次諧波分量在定子繞組、電纜和轉(zhuǎn)軸中產(chǎn)生電磁感應(yīng)，電機內(nèi)分布電容的耦合作用形成共?；芈?，產(chǎn)生共模電壓高頻振蕩，并與轉(zhuǎn)子容性耦合，形成轉(zhuǎn)軸對地電壓，借助電機軸、軸承和機座等構(gòu)成回路將產(chǎn)生軸電流。

軸電壓不高的時候，電機軸承潤滑后形成的一層油膜可以起到絕緣作用，軸電流沒有通路。但是當軸電壓較高且潤滑不充分時，軸電壓過將使?jié)櫥湍舸┓烹姰a(chǎn)生軸電流，并導致發(fā)熱產(chǎn)生高溫燒灼，對軸承內(nèi)圈外圈、或滾珠產(chǎn)生損傷，形成一些微小區(qū)域的凹槽損傷，對于高速旋轉(zhuǎn)的電機來說，將引起異常噪聲振動，不及時采取措施將在電機軸承的內(nèi)外圈、滾珠上產(chǎn)生大面積損傷，導致軸承損壞，大大降低電機的使用壽命。

軸電壓軸電流限值規(guī)范

電機運轉(zhuǎn)時都會產(chǎn)生軸電壓，變頻驅(qū)動電機所允許的軸電壓或軸電流的大小取決于現(xiàn)場運行環(huán)境、安裝質(zhì)量、電機運行狀態(tài)、軸承狀況、油膜厚度和回路阻抗等許多因素。

實際應(yīng)用中，對于滾動軸承電機，軸電壓大于0.5V將產(chǎn)生有害軸電流，軸電壓大于1 V時，電機軸承可能在運行后1年內(nèi)就出現(xiàn)明顯損傷;對于滑動軸承電機，潤滑油膜絕緣效果稍好，軸電壓大于1 V時會造成電機軸承明顯損傷。某1500 kW、1000 r/min變頻電機的空載軸電壓和負載軸電壓分別為0.65V和2.6 V，油膜電壓分別為0.15 v和0.51 V，可以看出，變頻電機軸電壓還是比較大的，且負載時軸電壓比空載時大，實際應(yīng)用中必須采取措施，以減小或消除軸電流損傷。

減小或消除變頻電機軸電流損傷的措施

軸電壓對軸承等造成損害通常需要兩個條件:一是軸電壓較高;二是是軸承絕緣狀態(tài)不佳，給軸電流提供了流通回路。軸電壓無法避免，避免軸電流損害的重點應(yīng)該是軸電流治理。對于采用滾動軸承的電機，軸承的潤滑脂膜比較薄，并且在剛啟動時潤滑不充分，對軸電壓的作用比較敏感，作為船舶推進變頻驅(qū)動系統(tǒng)來說，必須采取措施預(yù)防軸電流。

預(yù)防軸電流損害最有效的措施就是對變頻驅(qū)動系統(tǒng)軸承進行絕緣設(shè)計。當軸電壓高到一定程度時，電機設(shè)計時不僅要考慮軸承絕緣，電機輔助裝置也要進行絕緣設(shè)計。軸承絕緣通常是采取非驅(qū)動端軸承絕緣，即采用絕緣軸承。絕緣軸承方案可徹底防止軸電流電蝕軸承，且安裝維護方便。采用絕緣軸承在設(shè)計和安裝時與普通軸承相同。而對于采用滑動軸承的電機，通常采用對滑動軸承的軸承座進行內(nèi)部絕緣的設(shè)計方案，并在普通滑動軸承的基礎(chǔ)上進行改進，設(shè)計出帶絕緣結(jié)構(gòu)的滑動軸承，成功解決變頻電機滑動軸承的絕緣問題。