一种减少绝缘轴承烧损的交流电的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种减少绝缘轴承烧损的交流电机，包括轴承座、轴承和转子，所述轴承安装在所述轴承座上，所述轴承和转子套接在电机轴上，所述轴承座与所述轴承、所述轴承座与所述转子之间均设有绝缘保护结构。本实用新型对于减少支承电机轴系的绝缘轴承被轴电压烧毁具有显著的效果，具有降低交流电机轴承故障率、保证轨道交通等领域电机及装备安全的作用。
【专利说明】一种减少绝缘轴承烧损的交流电机
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及机电设备安全保护领域，特别是一种减少绝缘轴承烧损的交流电机，适用于交流电机、特别是地铁等轨道车辆用交流电机轴承的安全保护和技术改造。
【背景技术】
[0002]现代电机工程领域越来越普遍地应用交流发电和交流驱动方式。例如经典的交流电机是以工业电网的正弦交流电工作的，双馈式交流发电机的转子励磁绕组是以PWM方式供电的，在变频调速交流电动机中的定子是以PWM方式供给交流电压的。无论是定子或转子产生的交变磁场，都在电机的轴系两端之间引发轴电压，该轴电压通过轴两端的轴承等部位与机匣形成回路，产生轴电流，由于该回路中电阻最大的部位可能是轴承的内环、滚子、外环、保持架的接触点，于是引起这些部位接触点过热甚至烧损。该损坏机制导致了地铁等领域的大量的驱动电机轴承发生烧损故障，严重危及行车安全。
[0003]为了防止轴电压引起的轴电流损坏轴承，通常采用两种防范方法:
[0004]其一是，在电机轴的两端加装滑环，在电机的机匣上安装电刷，使轴电流经滑环-电刷-机匣短路，防止该电流流经轴承而使轴承得到保护。但在轨道交通车辆上使用的电动机上安装上述电刷滑环很难实施。
[0005]其二是，采用外环外表面或内环内表面喷涂有氧化铝等绝缘层的轴承，以期切断轴电压形成轴电流，或尽量减小轴电流，希望以这种方式避免轴承的内环、滚子、外环、保持架的接触点过热损坏。但是问题在于，大量使用绝缘轴承的电机，仍然大量发生轴承烧损故障，与采用非绝缘轴承时的损坏几率相当、甚至更严重。
实用新型内容
[0006]本实用新型所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种减少绝缘轴承烧损的交流电机，避免支承电机轴系的绝缘轴承被轴电压烧毁，降低交流电机轴承故障率，保证轨道交通等领域电机及装备的安全。
[0007]为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是:一种减少绝缘轴承烧损的交流电机，包括轴承座、轴承和转子，所述轴承安装在所述轴承座上，所述轴承和转子套接在电机轴上，所述轴承座与所述轴承、所述轴承座与所述转子之间均设有绝缘保护结构。
[0008]作为优选方案，所述绝缘保护结构为绝缘层，所述轴承座面向所述轴承的表面和所述轴承端盖内侧面向所述轴承的表面喷涂有绝缘层。
[0009]作为优选方案，所述绝缘保护结构为绝缘衬套，所述轴承座面向所述轴承的表面、所述轴承端盖内侧与所述轴承之间的腔内均设有绝缘衬套。
[0010]绝缘材料可以是氧化铝、高强度绝缘漆、高强度塑胶、高强度树脂中的一种。
[0011]此外，还可以使用如下方法避免绝缘轴承烧损:将电机轴由普通的低电阻率钢材制造改进为使用高电阻率的钢材制造，例如选用无磁钢系高合金单相奥氏体锰钢，具体型号如 20mn23Alv、45mnl7A13、30mn20A13、40mnl8cr3、40mnl8cr4v、50mnl8cr4v 等。无磁钢组织稳定，力学性能优良，磁导率低而电阻率高，在磁场中的涡流损耗极小。允许低导磁的根据，在于安装在轴上的转子已经使用高电阻率的硅钢片构成高电阻、高导磁的磁路，不需用电机轴作为磁路，更希望轴不导电以防止涡流损失；电机轴选用高电阻率材料的理由还在于，使电机轴两端之间的电阻尽量增大，以便在不能有效抑制轴电压，和在轴电压回路短路时，尽量降低轴电流。导电材料通常指电阻率为(1.5?10) X 10-10欧*厘米的即(0.00015?0.0010) μ Qcm的金属。在《异步电动机设计手册》中列出了 20号钢电阻率在
0.0001746 ?0.0003026 μ Ω cm 之间，45 号钢电阻率在 0.0002178 ?0.0003548 μ Ω cm 之间，硅钢的电阻率为40?50 μ Qcm0因此提高电机轴材料的电阻率具有大幅度提高轴电阻的能力。这种方法适用于在制造过程中实施。
[0012]与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果为:本实用新型对于减少支承电机轴系的绝缘轴承被轴电压烧毁具有显著的效果，具有降低交流电机轴承故障率、保证轨道交通等领域电机及装备安全的作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为单相电机轴电压引起绝缘轴承损坏的机理分析图；
[0014]图2为轴承绝缘回路短路、杂质回路开路时的烧损功率测定结果图；
[0015]图3为轴承绝缘回路开路、杂质回路开路时的烧损功率测定电路图；
[0016]图4为轴承绝缘回路短路、杂质回路开路时的烧损功率测定结果图；
[0017]图5为轴承绝缘回路开路、杂质回路单次短路时的烧损功率测定电路图；
[0018]图6为轴承绝缘回路开路、杂质回路单次短路时的烧损功率测定结果图；
[0019]图7为轴承绝缘回路开路、ΙΟΟι?Ω杂质回路多次短路时的烧损功率测定结果图；
[0020]图8为轴承绝缘回路开路、杂质回路多次短路时的轴电压广义共振分析图；
[0021]图9-1为轴承绝缘回路开路、IOOmΩ杂质回路多次短路、轴电阻Rl = I Ω时的瞬时烧损功率为1400W的测定结果图；
[0022]图9-2为轴承绝缘回路开路、IOOmΩ杂质回路多次短路、轴电阻Rl = 0.1 Ω时的瞬时烧损功率测定为2230W的测定结果图；
[0023]图9-3为轴承绝缘回路开路、IOm Ω杂质回路多次短路、轴电阻Rl = 0.1 Ω时的瞬时烧损功率测定为7340W的测定结果图；
[0024]图10-1为在轴承座与外环档边内圆面和保持架之间增加绝缘衬套示意图；
[0025]图10-2为对轴承座的邻近外环档边内圆面和保持架的表面喷涂绝缘层示意图；
[0026]其中:
[0027]1:轴承座；2:绝缘衬套；3:转轴；4:滚子；5:外表面镀绝缘层的外环；6:机匣；7:绝缘层；8:内环；9:保持架；10:电源电流；11:电源电压；12:电机电压；13:电机电流；14:轴电压；15:轴承电压；16:烧损电流；17:烧损功率；18:杂质电流。
【具体实施方式】
[0028]上述设计的理论基础分析于下。
[0029]绝缘轴承防止轴电压及其形成的轴电流损坏轴承的机理在于，正常的轴电压频率很低，绝缘轴承的内部与与轴承座之间的电容仅约2000?3000pF，其对于低频轴电压的容抗很大，不能引起足够大的轴电流，该微小的轴电流在滚动体与内外环接触点电阻上的压降、功率微小，不足以引起接触点过热损坏。
[0030]提出“杂质短路轴电压引发滚子烧损”过程机理分析如下:随着轴承长期运转，其保持架或滚动工作面不可避免地磨损而产生金属杂质，特别是在轴承加工、保持架铆接过程中可能产生的金属杂质，注入的润滑脂中也可能混入金属杂质。在运转中，这些杂质可能瞬时引起绝缘层内外部件短路。由于开路轴电压的量值通常为10?300V，而短路(此时轴电压立即下降)电流瞬间通常可达I?10A。杂质短路时轴电压所产生的功率足以烧毁接触电阻较大的杂质而使短路点立即开路，或者杂质在运动中引起瞬时短路后又开路，这些过程均使得轴电压回路反复发生短路-开路的过程。而引起轴电压的是具有感性的绕组产生的电磁场，即轴电压回路与绕组之间存在互感。于是，在轴电压发生短路-开路的瞬间，将引起轴电压因为叠加感性回路反电势而出现对应于开路瞬间的、前沿变化速率(即频率成分)极高的、幅度远大于正常轴电压的超高电压。由于反电势电压的频率特别高或前沿特别陡，绝缘轴承的绝缘层电容对它的阻抗十分低，形同瞬间短路，于是反电势高电压与几乎等同于短路时的大电流之功率全部消耗在滚动体与内/外环的接触电阻上，使接触点瞬间发生高温、电灼伤甚至点焊；由于滚动体,特别是滚珠的曲率远大于内外环的曲率,而体积却远小于内外环，故上述瞬间的高温首先损坏滚子，特别是滚珠，使其烧灼点金相变化(如出现奥氏体、马氏体)，其周边则退火软化。这种不均匀的组织在此后受到工作载荷时，必然发生应力集中、裂纹、剥离。
[0031]一旦出现了哪怕只有一个滚子的上述电灼伤，其所产生的杂质远远多于原始状态时外来的杂质，就将引起上述“杂质短路轴电压引发滚子烧损”过程的连锁反应，在很短时间内，大量滚子相继烧损。
[0032]基于上述机理分析，在既不能使用短路轴电压的电刷滑环，又要使用绝缘轴承的前提下，防止该轴承烧损的方法，虽然最为简单的是保障轴承中不存在任何可引起绝缘层两边短路的杂质，然而这在实际使用中只能是良好的愿望，而不可能是现实。因此，本实用新型提出的减少交流电机绝缘轴承烧损的保护方法，是不回避客观现实的、旨在尽量防止杂质引起轴电压短路和万一发生短路时降低短路电流的方法。这种方法特别适用于地铁等轨道车辆用交流电机轴承的技术改造和安全保护。
[0033]附图1是用集中参数方法描述单相电机轴电压产生、损坏轴承的仿真电路:
[0034]电源向电机供给“电源电压”为50Hzl00V，通过电缆电感ImH供给电机，产生“电机电压”和“电机电流”，该电流经过电机绕组及其电机绕组电阻Rl = 1Ω，通过电机绕组与转子绕组之互感M1，向转子负载的等效电阻R2供给能量，关键在于，电机绕组和转子的磁场被轴系切割，以互感M2的途径，在电机轴系两端之间产生“轴电压”，在正常状况下，产生流经主要是电机轴的轴电阻R、轴电感L和绝缘轴承的绝缘电容C以及与绝缘电容C串联的、由轴承的滚动体跟内外环的接触电阻构成回路的“烧损电流”，附图1检测了轴承(集中参数为接触电阻与绝缘电容串联)上承受的“轴承电压”和接触电阻上的“烧损功率”。在偶然状况下，“轴承电压”会通过杂质电阻发生短路，产生“杂质电流”。
[0035]为了分析杂质电阻短路轴承电压的方式对损害的影响，杂质电阻支路设有与之串联的杂质回路、杂质短路1、杂质短路2等3个开关。为了考查非绝缘轴承(或增加了短路电刷滑环)的作用，在绝缘电容上并联了绝缘回路开关。[0036]附图2表明，在附图1所示的参数条件下，绝缘回路开关对绝缘电容短路、杂质回路开路时，轴承接触电阻的“烧损功率”峰值仅仅10.15uW，轴电压、轴承电压不到IV峰值，轴承是安全的。但因为轴承中注满润滑脂，在理想的良好状况下，接触电阻的理想值为开路，如附图3，此时轴承的接触电阻上烧损功率几乎为零，如附图4。
[0037]但是，若绝缘回路开路，杂质回路发生单次杂质短路，如附图5，则“烧损功率”瞬时峰值达到1.7W，虽远不足以烧毁轴承，但“轴承电压”和“轴电压”都在杂质短路随后开路后出现了 47V、24V的高频震荡电压，如附图6。
[0038]然而，杂质短路的方式是随机地、时短路、时断路地接连发生的。若“绝缘回路”开路，“杂质回路”在短时间内发生时短路、时断路的多次杂质短路，如附图5，虽然“轴承电压”和“轴电压”都在杂质短路随后开路之后出现了 47V、24V的高频震荡电压。但在第一次短路之后的再次短路发生时，“烧损功率”瞬时峰值可能达到1400W，足以在瞬时烧毁轴承的接触点，如附图7。
[0039]发生上述的在第一次短路之后的再次短路时“烧损功率”瞬时峰值达到1400W的机理在于，杂质短路对由轴电阻R、轴电感L、接触电阻及绝缘电容C构成的串联谐振回路激发了广义共振。附图8是对应于附图7的频谱分析，可见该广义共振动频率约80kHz。由第I次杂质短路-开路激发的广义共振轴承电压(即绝缘电容C的电压)达到40V，在第2次杂质短路时，通过接触电阻和杂质电阻的瞬时电流达到118A，轴承的接触电阻和杂质电阻上的瞬时“烧损功率”达到1400W。
[0040]基于上述仿真测试数据的研究，可以得到降低瞬时“烧损功率”的技术途径是:
[0041]途径之一是减小杂质短路对于广义共振的激励。这就只有通过充分增大杂质电阻来实现。附图9-2和附图9-3的测试表明杂质电阻越小，则“烧损功率”越大的规律。然而杂质电阻通常是不可控制的。
[0042]途径之二是减小杂质短路的重复频率，使每次杂质短路之间的时间，大于广义共振的衰减时间。而通常这也是不可控的。基于此理念的最佳措施则是:尽量防止杂质引发的短路。那就是需要对轴承座邻近的机匣内部面向轴承和转子的表面增加绝缘保护结构。如附图10。
[0043]途径之三是压制广义共振的幅度和衰减时间。如果能降低幅度，则在广义共振时被杂质再次短路的电流和功率大幅度下降；如果每次杂质短路-开路激发的广义共振在下一次杂质短路时已经衰减到停止，则多次杂质短路的每一次都等同于前述的单次杂质短路，具有“烧损功率”很小的特征。而从广义共振理论着眼，达到上述目标的措施，是增大谐振回路的阻尼电阻。谐振回路的串联阻尼电阻具体有轴承的接触电阻和电机轴的轴电阻Rl0其中，接触电阻是不可控的，唯剩电机的轴电阻Rl是可控的，那就是需要将电机轴由普通的低电阻率钢材制造改进为使用高电阻率的钢材制造。图9是在采用不同电阻率的钢材制造电机轴，得到不同的轴电阻Rl时的仿真测试。图9-1是其他条件不变而、IOOmΩ杂质回路多次短路、轴电阻Rl = 1Ω时的瞬时烧损功率为1400W，轴承上的广义共振峰值电压47V，衰减较快；图9-2是其他条件不变、IOOm Ω杂质回路多次短路、轴电阻Rl = 0.1 Ω时的瞬时烧损功率为2230W，轴承上的广义共振峰值电压48V，衰减较慢；图9-3是其他条件不变、ΙΟπιΩ杂质回路多次短路、轴电阻Rl = 0.1Ω时的瞬时烧损功率为7340W，轴承上的广义共振峰值电压48V，衰减较慢。[0044]图10-1为轴承安装在电机轴上的经典设计示意图。杂质引起轴系与轴承座短路烧损滚子、保持架的示意图如附图10-2，是由于轴电压经过内环、滚子、保持架或外环，被瞬时出现在保持架或外环档边内圆面与轴承座之间的金属杂质短路，在短路时或短路后杂质烧毁而开路时发生的反电势引起滚子、保持架兜孔烧伤。
[0045]为了防止或减少轴承烧毁的故障，在轴承座与外环档边内圆面、轴承座与保持架之间增加厚度为2?5mm的绝缘衬套，还对随内环转动的封严环和轴承外环或保持架相对应的部位增加环状的绝缘衬套，如附图10-3，该绝缘衬套可以用制造“塑钢保持架”的高分子材料(如尼龙)制造；或对轴承座的邻近外环档边内圆面和保持架的表面喷涂绝缘层，或还对随内环转动的封严环和轴承外环或保持架相对应的部位表面喷涂绝缘层，如附图10-4，喷涂绝缘层的材料可以用环氧树脂、尼龙、漆、EAA粉末、热喷涂粉末、热喷塑粉末、聚脲刚性防腐材料等等。
【权利要求】
1.一种减少绝缘轴承烧损的交流电机，包括轴承座、轴承和转子，所述轴承安装在所述轴承座上，所述轴承和转子套接在电机轴上，其特征在于，所述轴承座与所述轴承、所述轴承座与所述转子之间均设有绝缘保护结构。
2.根据权利要求1所述的减少绝缘轴承烧损的交流电机，其特征在于，所述绝缘保护结构为绝缘层，所述轴承座面向所述轴承的表面和所述轴承端盖内侧面向所述轴承的表面喷涂有绝缘层。
3.根据权利要求1或2所述的减少绝缘轴承烧损的交流电机，其特征在于，所述绝缘保护结构为绝缘衬套，所述轴承座面向所述轴承的表面、所述轴承端盖内侧与所述轴承之间的腔内均设有绝缘衬套。
4.根据权利要求2所述的减少绝缘轴承烧损的交流电机，其特征在于，所述绝缘层材料为环氧树脂、尼龙、漆、EAA粉末、热喷涂粉末、热喷塑粉末、聚脲刚性防腐材料中的一种。
【文档编号】H02K5/16GK203406718SQ201320411824
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年7月11日 优先权日:2013年7月11日
【发明者】唐德尧, 张弸 申请人:唐德尧