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船舶推進(jìn)電機(jī)絕緣軸承

近年來(lái)船舶電力推進(jìn)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(shí)現(xiàn)電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，而且可以在不同應(yīng)用場(chǎng)景和不同負(fù)載條件下使電動(dòng)機(jī)始終運(yùn)行在高效區(qū)，并確保優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性。隨著推進(jìn)電機(jī)容量的不斷增大，軸電流導(dǎo)致電機(jī)損傷事故屢有發(fā)生，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該重視由軸電流引起的危害。

軸電流產(chǎn)生機(jī)理和危害

船舶交流電力推進(jìn)系統(tǒng)一般包括推進(jìn)變壓器、推進(jìn)變頻器和推進(jìn)電機(jī)，變頻器一般采用電壓型兩電平交-直-交拓?fù)浞桨?，變頻器采用模塊化設(shè)計(jì)，包括整流單元、制動(dòng)單元、逆變單元等組成，力求達(dá)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(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，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(huì)通過(guò)軸承、軸承座或機(jī)座等構(gòu)成回路，軸電流就產(chǎn)生了。軸電壓是隨著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)行就存在的，一般普通工頻電機(jī)軸電壓產(chǎn)生主要是由電容電流、單極效應(yīng)或磁路不對(duì)稱等因素造成，最終還是由磁通脈動(dòng)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(duì)于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的變頻電機(jī)大都采用變頻供電，這時(shí)電機(jī)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(dòng)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(jī)內(nèi)分布電容的耦合作用形成共?；芈罚a(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(duì)地電壓，借助電機(jī)軸、軸承和機(jī)座等構(gòu)成回路將產(chǎn)生軸電流。

軸電壓不高的時(shí)候，電機(jī)軸承潤(rùn)滑后形成的一層油膜可以起到絕緣作用，軸電流沒(méi)有通路。但是當(dāng)軸電壓較高且潤(rùn)滑不充分時(shí)，軸電壓過(guò)將使?jié)櫥湍舸┓烹姰a(chǎn)生軸電流，并導(dǎo)致發(fā)熱產(chǎn)生高溫?zé)?，?duì)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(duì)于高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)來(lái)說(shuō)，將引起異常噪聲振動(dòng)，不及時(shí)采取措施將在電機(jī)軸承的內(nèi)外圈、滾珠上產(chǎn)生大面積損傷，導(dǎo)致軸承損壞，大大降低電機(jī)的使用壽命。

軸電壓軸電流限值規(guī)范

電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生軸電壓，變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)所允許的軸電壓或軸電流的大小取決于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境、安裝質(zhì)量、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、軸承狀況、油膜厚度和回路阻抗等許多因素。

實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于滾動(dòng)軸承電機(jī)，軸電壓大于0.5V將產(chǎn)生有害軸電流，軸電壓大于1 V時(shí)，電機(jī)軸承可能在運(yùn)行后1年內(nèi)就出現(xiàn)明顯損傷;對(duì)于滑動(dòng)軸承電機(jī)，潤(rùn)滑油膜絕緣效果稍好，軸電壓大于1 V時(shí)會(huì)造成電機(jī)軸承明顯損傷。某1500 kW、1000 r/min變頻電機(jī)的空載軸電壓和負(fù)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(jī)軸電壓還是比較大的，且負(fù)載時(shí)軸電壓比空載時(shí)大，實(shí)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(jī)軸電流損傷的措施

軸電壓對(duì)軸承等造成損害通常需要兩個(gè)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(wú)法避免，避免軸電流損害的重點(diǎn)應(yīng)該是軸電流治理。對(duì)于采用滾動(dòng)軸承的電機(jī)，軸承的潤(rùn)滑脂膜比較薄，并且在剛啟動(dòng)時(shí)潤(rùn)滑不充分，對(duì)軸電壓的作用比較敏感，作為船舶推進(jìn)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(duì)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軸承進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)。當(dāng)軸電壓高到一定程度時(shí)，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮軸承絕緣，電機(jī)輔助裝置也要進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)。軸承絕緣通常是采取非驅(qū)動(dòng)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(hù)方便。采用絕緣軸承在設(shè)計(jì)和安裝時(shí)與普通軸承相同。而對(duì)于采用滑動(dòng)軸承的電機(jī)，通常采用對(duì)滑動(dòng)軸承的軸承座進(jìn)行內(nèi)部絕緣的設(shè)計(jì)方案，并在普通滑動(dòng)軸承的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出帶絕緣結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)軸承，成功解決變頻電機(jī)滑動(dòng)軸承的絕緣問(wèn)題。