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絕緣軸承可以有效解決電機(jī)軸承電蝕現(xiàn)象

修正或者解決電動(dòng)機(jī)和變速驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致軸承產(chǎn)生電蝕的方法有很多種，比如修正電纜的屏蔽、提高電動(dòng)機(jī)底座的接地性、使用單相過濾器、在定子與轉(zhuǎn)子之間安裝電磁屏蔽、使轉(zhuǎn)子接地或使用不導(dǎo)電的聯(lián)軸器。然而，較簡單的方法之一是使軸承絕緣，阻止電流通過。這可通過在軸箱中安裝絕緣屏蔽或使軸承自身絕緣來實(shí)現(xiàn)，使軸承作為絕緣體是簡單有效的方法(圖1)。  

可通過2種方式使軸承作為絕緣體或阻止高頻電流通過。一種方法是在外圈外徑面或內(nèi)圈內(nèi)徑面增加陶瓷涂層(圖2)；第2種方法是使用陶瓷材料加工的滾動(dòng)體。依據(jù)軸承的尺寸，前種方法可能比第2種更經(jīng)濟(jì)。  

陶瓷涂層一般為氧化鋁，厚度為100微米左右。在直流電動(dòng)機(jī)中，該涂層是具有50MΩ或更大阻值的純絕緣體。陶瓷軸承與無涂層的標(biāo)準(zhǔn)軸承具有相同尺寸和公差(圖3)。

交流電動(dòng)機(jī)中的高頻電流通過PWM變頻器產(chǎn)生，陶瓷涂層或滾動(dòng)體不作為純粹的絕緣體或電阻器。在這種情況下須將所有的軸承零件、氧化鋁涂層及軸承座考慮在內(nèi)后構(gòu)造等效電路圖。在電阻器與電容器之間氧化鋁涂層須被模擬成并聯(lián)，這意味著須要考慮阻抗?？紤]阻抗相當(dāng)復(fù)雜，主要包括電阻R、電容C和頻率f。為了增加軸承阻抗，涂層的電容應(yīng)保持盡可能小。電容取決于表面涂層面積、涂層厚度以及涂層材料。阻抗與頻率和電容與頻率的影響如圖4所示，可表達(dá)為 

式中：Z為阻抗；ω為角頻率；ε為絕緣涂層的介電常數(shù)；ε0為真空中的介電常數(shù)；A為涂層面積；S為陶瓷涂層的厚度。  

通過減少涂層接觸面積或增加涂層厚度可減少電容。雖然通常在外圈上噴涂層，但也可在內(nèi)圈上噴涂層來替代，這取決于軸承尺寸。使用陶瓷滾動(dòng)體也會(huì)減少軸承電容。

陶瓷滾動(dòng)體軸承通常又稱為混合陶瓷軸承(圖5)，混合軸承中的陶瓷滾動(dòng)體一般由氮化硅加工。對(duì)于直流電流，沒有密封圈或密封罩的開放混合軸承是電阻約為幾百兆歐的純絕緣體?；旌陷S承是切斷直流電流通過滾動(dòng)體與滾道接觸路線的非常有效的工具。PWM產(chǎn)生的高頻電流使混合軸承的陶瓷滾動(dòng)體可作為內(nèi)圈與外圈之間的電介質(zhì)?；旌陷S承的電容非常低(約為μμF)。氮化硅滾動(dòng)體具有相對(duì)較大的直徑、較小的滾道接觸尺寸和低的相對(duì)介電常數(shù)εr，使其即使在達(dá)到1 MHz的頻率下阻抗高于1 kΩ因此，混合軸承是預(yù)防軸承電損傷的一種非常有效的工具，尤其是對(duì)高頻電流的損傷預(yù)防效果較好。

采用氮化硅滾動(dòng)體的電機(jī)軸承推薦使用具有聚脲稠化劑和酯基油的脂作為潤滑劑。研究發(fā)現(xiàn)，具有這些化學(xué)成分的脂在高速旋轉(zhuǎn)及高工作溫度的電動(dòng)機(jī)中具有良好壽命?；旌陷S承中的潤滑脂壽命可比標(biāo)準(zhǔn)軸承長4倍。軸承套圈上噴涂陶瓷層或采用陶瓷滾動(dòng)體的電容通常比在軸承座中使用絕緣套管要低。這2個(gè)特性集成到軸承后，軸承更易安裝。

案例1

北美一家主要的水泥生產(chǎn)商在爐渣烘干線的主離心風(fēng)機(jī)中所用為具有1 200 hp的直流電動(dòng)機(jī)，其可在750~1 800 r / min之間變頻調(diào)速，由于軸承問題，每5周就需要更換或重新組裝電動(dòng)機(jī)。所用軸承為6230M/C3深溝球軸承。電蝕是軸承失效的根本原因。2012年8月，2套用陶瓷滾動(dòng)體的6230M/C3深溝球軸承替代用鋼制滾動(dòng)體的正常軸承。電動(dòng)機(jī)在2014年夏天因其他原因需要修理時(shí)，拆解發(fā)現(xiàn)軸承沒有電蝕損傷跡象，軸承壽命從5周延長到2年以上。避免意外關(guān)閉和重新安裝的成本，估計(jì)節(jié)約47 100美元/年。

案例2

在288 kW交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的立式輥磨機(jī)上，東南亞的水泥廠經(jīng)歷了長期的早期軸承失效。失效曾經(jīng)每隔3~6個(gè)月就會(huì)發(fā)生，導(dǎo)致平均6 h的偶然停機(jī)時(shí)間和重大的生產(chǎn)力損失。軸承制造商通過分析斷定失效的根本原因是雜散電流穿過電機(jī)軸承。解決方法是：外圈上噴涂陶瓷層的軸承安裝在非驅(qū)動(dòng)端，并在驅(qū)動(dòng)端安裝內(nèi)圈上噴涂陶瓷層的軸承。軸承自2015年起運(yùn)轉(zhuǎn)超過3年且沒有發(fā)現(xiàn)任何故障，節(jié)約超過68 000美元。

盡管陶瓷軸承的前期成本比標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承粗略估計(jì)要高幾倍甚至以上，但總成本顯著降低且生產(chǎn)時(shí)的正常運(yùn)行時(shí)間相應(yīng)延長。