一種減少絕緣軸承燒損的交流電的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種減少絕緣軸承燒損的交流電機，包括軸承座、軸承和轉子，所述軸承安裝在所述軸承座上，所述軸承和轉子套接在電機軸上，所述軸承座與所述軸承、所述軸承座與所述轉子之間均設有絕緣保護結構。本實用新型對于減少支承電機軸系的絕緣軸承被軸電壓燒毀具有顯著的效果，具有降低交流電機軸承故障率、保證軌道交通等領域電機及裝備安全的作用。
【專利說明】一種減少絕緣軸承燒損的交流電機
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及機電設備安全保護領域，特別是一種減少絕緣軸承燒損的交流電機，適用于交流電機、特別是地鐵等軌道車輛用交流電機軸承的安全保護和技術改造。
【背景技術】
[0002]現代電機工程領域越來越普遍地應用交流發電和交流驅動方式。例如經典的交流電機是以工業電網的正弦交流電工作的，雙饋式交流發電機的轉子勵磁繞組是以PWM方式供電的，在變頻調速交流電動機中的定子是以PWM方式供給交流電壓的。無論是定子或轉子產生的交變磁場，都在電機的軸系兩端之間引發軸電壓，該軸電壓通過軸兩端的軸承等部位與機匣形成回路，產生軸電流，由于該回路中電阻最大的部位可能是軸承的內環、滾子、外環、保持架的接觸點，于是引起這些部位接觸點過熱甚至燒損。該損壞機制導致了地鐵等領域的大量的驅動電機軸承發生燒損故障，嚴重危及行車安全。
[0003]為了防止軸電壓引起的軸電流損壞軸承，通常采用兩種防范方法:
[0004]其一是，在電機軸的兩端加裝滑環，在電機的機匣上安裝電刷，使軸電流經滑環-電刷-機匣短路，防止該電流流經軸承而使軸承得到保護。但在軌道交通車輛上使用的電動機上安裝上述電刷滑環很難實施。
[0005]其二是，采用外環外表面或內環內表面噴涂有氧化鋁等絕緣層的軸承，以期切斷軸電壓形成軸電流，或盡量減小軸電流，希望以這種方式避免軸承的內環、滾子、外環、保持架的接觸點過熱損壞。但是問題在于，大量使用絕緣軸承的電機，仍然大量發生軸承燒損故障，與采用非絕緣軸承時的損壞幾率相當、甚至更嚴重。
實用新型內容
[0006]本實用新型所要解決的技術問題是，針對現有技術不足，提供一種減少絕緣軸承燒損的交流電機，避免支承電機軸系的絕緣軸承被軸電壓燒毀，降低交流電機軸承故障率，保證軌道交通等領域電機及裝備的安全。
[0007]為解決上述技術問題，本實用新型所采用的技術方案是:一種減少絕緣軸承燒損的交流電機，包括軸承座、軸承和轉子，所述軸承安裝在所述軸承座上，所述軸承和轉子套接在電機軸上，所述軸承座與所述軸承、所述軸承座與所述轉子之間均設有絕緣保護結構。
[0008]作為優選方案，所述絕緣保護結構為絕緣層，所述軸承座面向所述軸承的表面和所述軸承端蓋內側面向所述軸承的表面噴涂有絕緣層。
[0009]作為優選方案，所述絕緣保護結構為絕緣襯套，所述軸承座面向所述軸承的表面、所述軸承端蓋內側與所述軸承之間的腔內均設有絕緣襯套。
[0010]絕緣材料可以是氧化鋁、高強度絕緣漆、高強度塑膠、高強度樹脂中的一種。
[0011]此外，還可以使用如下方法避免絕緣軸承燒損:將電機軸由普通的低電阻率鋼材制造改進為使用高電阻率的鋼材制造，例如選用無磁鋼系高合金單相奧氏體錳鋼，具體型號如 20mn23Alv、45mnl7A13、30mn20A13、40mnl8cr3、40mnl8cr4v、50mnl8cr4v 等。無磁鋼組織穩定，力學性能優良，磁導率低而電阻率高，在磁場中的渦流損耗極小。允許低導磁的根據，在于安裝在軸上的轉子已經使用高電阻率的硅鋼片構成高電阻、高導磁的磁路，不需用電機軸作為磁路，更希望軸不導電以防止渦流損失；電機軸選用高電阻率材料的理由還在于，使電機軸兩端之間的電阻盡量增大，以便在不能有效抑制軸電壓，和在軸電壓回路短路時，盡量降低軸電流。導電材料通常指電阻率為(1.5?10) X 10-10歐*厘米的即(0.00015?0.0010) μ Qcm的金屬。在《異步電動機設計手冊》中列出了 20號鋼電阻率在
0.0001746 ?0.0003026 μ Ω cm 之間，45 號鋼電阻率在 0.0002178 ?0.0003548 μ Ω cm 之間，硅鋼的電阻率為40?50 μ Qcm0因此提高電機軸材料的電阻率具有大幅度提高軸電阻的能力。這種方法適用于在制造過程中實施。
[0012]與現有技術相比，本實用新型所具有的有益效果為:本實用新型對于減少支承電機軸系的絕緣軸承被軸電壓燒毀具有顯著的效果，具有降低交流電機軸承故障率、保證軌道交通等領域電機及裝備安全的作用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為單相電機軸電壓引起絕緣軸承損壞的機理分析圖；
[0014]圖2為軸承絕緣回路短路、雜質回路開路時的燒損功率測定結果圖；
[0015]圖3為軸承絕緣回路開路、雜質回路開路時的燒損功率測定電路圖；
[0016]圖4為軸承絕緣回路短路、雜質回路開路時的燒損功率測定結果圖；
[0017]圖5為軸承絕緣回路開路、雜質回路單次短路時的燒損功率測定電路圖；
[0018]圖6為軸承絕緣回路開路、雜質回路單次短路時的燒損功率測定結果圖；
[0019]圖7為軸承絕緣回路開路、ΙΟΟι?Ω雜質回路多次短路時的燒損功率測定結果圖；
[0020]圖8為軸承絕緣回路開路、雜質回路多次短路時的軸電壓廣義共振分析圖；
[0021]圖9-1為軸承絕緣回路開路、IOOmΩ雜質回路多次短路、軸電阻Rl = I Ω時的瞬時燒損功率為1400W的測定結果圖；
[0022]圖9-2為軸承絕緣回路開路、IOOmΩ雜質回路多次短路、軸電阻Rl = 0.1 Ω時的瞬時燒損功率測定為2230W的測定結果圖；
[0023]圖9-3為軸承絕緣回路開路、IOm Ω雜質回路多次短路、軸電阻Rl = 0.1 Ω時的瞬時燒損功率測定為7340W的測定結果圖；
[0024]圖10-1為在軸承座與外環檔邊內圓面和保持架之間增加絕緣襯套示意圖；
[0025]圖10-2為對軸承座的鄰近外環檔邊內圓面和保持架的表面噴涂絕緣層示意圖；
[0026]其中:
[0027]1:軸承座；2:絕緣襯套；3:轉軸；4:滾子；5:外表面鍍絕緣層的外環；6:機匣；7:絕緣層；8:內環；9:保持架；10:電源電流；11:電源電壓；12:電機電壓；13:電機電流；14:軸電壓；15:軸承電壓；16:燒損電流；17:燒損功率；18:雜質電流。
【具體實施方式】
[0028]上述設計的理論基礎分析于下。
[0029]絕緣軸承防止軸電壓及其形成的軸電流損壞軸承的機理在于，正常的軸電壓頻率很低，絕緣軸承的內部與與軸承座之間的電容僅約2000?3000pF，其對于低頻軸電壓的容抗很大，不能引起足夠大的軸電流，該微小的軸電流在滾動體與內外環接觸點電阻上的壓降、功率微小，不足以引起接觸點過熱損壞。
[0030]提出“雜質短路軸電壓引發滾子燒損”過程機理分析如下:隨著軸承長期運轉，其保持架或滾動工作面不可避免地磨損而產生金屬雜質，特別是在軸承加工、保持架鉚接過程中可能產生的金屬雜質，注入的潤滑脂中也可能混入金屬雜質。在運轉中，這些雜質可能瞬時引起絕緣層內外部件短路。由于開路軸電壓的量值通常為10?300V，而短路(此時軸電壓立即下降)電流瞬間通常可達I?10A。雜質短路時軸電壓所產生的功率足以燒毀接觸電阻較大的雜質而使短路點立即開路，或者雜質在運動中引起瞬時短路后又開路，這些過程均使得軸電壓回路反復發生短路-開路的過程。而引起軸電壓的是具有感性的繞組產生的電磁場，即軸電壓回路與繞組之間存在互感。于是，在軸電壓發生短路-開路的瞬間，將引起軸電壓因為疊加感性回路反電勢而出現對應于開路瞬間的、前沿變化速率(即頻率成分)極高的、幅度遠大于正常軸電壓的超高電壓。由于反電勢電壓的頻率特別高或前沿特別陡，絕緣軸承的絕緣層電容對它的阻抗十分低，形同瞬間短路，于是反電勢高電壓與幾乎等同于短路時的大電流之功率全部消耗在滾動體與內/外環的接觸電阻上，使接觸點瞬間發生高溫、電灼傷甚至點焊；由于滾動體,特別是滾珠的曲率遠大于內外環的曲率,而體積卻遠小于內外環，故上述瞬間的高溫首先損壞滾子，特別是滾珠，使其燒灼點金相變化(如出現奧氏體、馬氏體)，其周邊則退火軟化。這種不均勻的組織在此后受到工作載荷時，必然發生應力集中、裂紋、剝離。
[0031]一旦出現了哪怕只有一個滾子的上述電灼傷，其所產生的雜質遠遠多于原始狀態時外來的雜質，就將引起上述“雜質短路軸電壓引發滾子燒損”過程的連鎖反應，在很短時間內，大量滾子相繼燒損。
[0032]基于上述機理分析，在既不能使用短路軸電壓的電刷滑環，又要使用絕緣軸承的前提下，防止該軸承燒損的方法，雖然最為簡單的是保障軸承中不存在任何可引起絕緣層兩邊短路的雜質，然而這在實際使用中只能是良好的愿望，而不可能是現實。因此，本實用新型提出的減少交流電機絕緣軸承燒損的保護方法，是不回避客觀現實的、旨在盡量防止雜質引起軸電壓短路和萬一發生短路時降低短路電流的方法。這種方法特別適用于地鐵等軌道車輛用交流電機軸承的技術改造和安全保護。
[0033]附圖1是用集中參數方法描述單相電機軸電壓產生、損壞軸承的仿真電路:
[0034]電源向電機供給“電源電壓”為50Hzl00V，通過電纜電感ImH供給電機，產生“電機電壓”和“電機電流”，該電流經過電機繞組及其電機繞組電阻Rl = 1Ω，通過電機繞組與轉子繞組之互感M1，向轉子負載的等效電阻R2供給能量，關鍵在于，電機繞組和轉子的磁場被軸系切割，以互感M2的途徑，在電機軸系兩端之間產生“軸電壓”，在正常狀況下，產生流經主要是電機軸的軸電阻R、軸電感L和絕緣軸承的絕緣電容C以及與絕緣電容C串聯的、由軸承的滾動體跟內外環的接觸電阻構成回路的“燒損電流”，附圖1檢測了軸承(集中參數為接觸電阻與絕緣電容串聯)上承受的“軸承電壓”和接觸電阻上的“燒損功率”。在偶然狀況下，“軸承電壓”會通過雜質電阻發生短路，產生“雜質電流”。
[0035]為了分析雜質電阻短路軸承電壓的方式對損害的影響，雜質電阻支路設有與之串聯的雜質回路、雜質短路1、雜質短路2等3個開關。為了考查非絕緣軸承(或增加了短路電刷滑環)的作用，在絕緣電容上并聯了絕緣回路開關。[0036]附圖2表明，在附圖1所示的參數條件下，絕緣回路開關對絕緣電容短路、雜質回路開路時，軸承接觸電阻的“燒損功率”峰值僅僅10.15uW，軸電壓、軸承電壓不到IV峰值，軸承是安全的。但因為軸承中注滿潤滑脂，在理想的良好狀況下，接觸電阻的理想值為開路，如附圖3，此時軸承的接觸電阻上燒損功率幾乎為零，如附圖4。
[0037]但是，若絕緣回路開路，雜質回路發生單次雜質短路，如附圖5，則“燒損功率”瞬時峰值達到1.7W，雖遠不足以燒毀軸承，但“軸承電壓”和“軸電壓”都在雜質短路隨后開路后出現了 47V、24V的高頻震蕩電壓，如附圖6。
[0038]然而，雜質短路的方式是隨機地、時短路、時斷路地接連發生的。若“絕緣回路”開路，“雜質回路”在短時間內發生時短路、時斷路的多次雜質短路，如附圖5，雖然“軸承電壓”和“軸電壓”都在雜質短路隨后開路之后出現了 47V、24V的高頻震蕩電壓。但在第一次短路之后的再次短路發生時，“燒損功率”瞬時峰值可能達到1400W，足以在瞬時燒毀軸承的接觸點，如附圖7。
[0039]發生上述的在第一次短路之后的再次短路時“燒損功率”瞬時峰值達到1400W的機理在于，雜質短路對由軸電阻R、軸電感L、接觸電阻及絕緣電容C構成的串聯諧振回路激發了廣義共振。附圖8是對應于附圖7的頻譜分析，可見該廣義共振動頻率約80kHz。由第I次雜質短路-開路激發的廣義共振軸承電壓(即絕緣電容C的電壓)達到40V，在第2次雜質短路時，通過接觸電阻和雜質電阻的瞬時電流達到118A，軸承的接觸電阻和雜質電阻上的瞬時“燒損功率”達到1400W。
[0040]基于上述仿真測試數據的研究，可以得到降低瞬時“燒損功率”的技術途徑是:
[0041]途徑之一是減小雜質短路對于廣義共振的激勵。這就只有通過充分增大雜質電阻來實現。附圖9-2和附圖9-3的測試表明雜質電阻越小，則“燒損功率”越大的規律。然而雜質電阻通常是不可控制的。
[0042]途徑之二是減小雜質短路的重復頻率，使每次雜質短路之間的時間，大于廣義共振的衰減時間。而通常這也是不可控的。基于此理念的最佳措施則是:盡量防止雜質引發的短路。那就是需要對軸承座鄰近的機匣內部面向軸承和轉子的表面增加絕緣保護結構。如附圖10。
[0043]途徑之三是壓制廣義共振的幅度和衰減時間。如果能降低幅度，則在廣義共振時被雜質再次短路的電流和功率大幅度下降；如果每次雜質短路-開路激發的廣義共振在下一次雜質短路時已經衰減到停止，則多次雜質短路的每一次都等同于前述的單次雜質短路，具有“燒損功率”很小的特征。而從廣義共振理論著眼，達到上述目標的措施，是增大諧振回路的阻尼電阻。諧振回路的串聯阻尼電阻具體有軸承的接觸電阻和電機軸的軸電阻Rl0其中，接觸電阻是不可控的，唯剩電機的軸電阻Rl是可控的，那就是需要將電機軸由普通的低電阻率鋼材制造改進為使用高電阻率的鋼材制造。圖9是在采用不同電阻率的鋼材制造電機軸，得到不同的軸電阻Rl時的仿真測試。圖9-1是其他條件不變而、IOOmΩ雜質回路多次短路、軸電阻Rl = 1Ω時的瞬時燒損功率為1400W，軸承上的廣義共振峰值電壓47V，衰減較快；圖9-2是其他條件不變、IOOm Ω雜質回路多次短路、軸電阻Rl = 0.1 Ω時的瞬時燒損功率為2230W，軸承上的廣義共振峰值電壓48V，衰減較慢；圖9-3是其他條件不變、ΙΟπιΩ雜質回路多次短路、軸電阻Rl = 0.1Ω時的瞬時燒損功率為7340W，軸承上的廣義共振峰值電壓48V，衰減較慢。[0044]圖10-1為軸承安裝在電機軸上的經典設計示意圖。雜質引起軸系與軸承座短路燒損滾子、保持架的示意圖如附圖10-2，是由于軸電壓經過內環、滾子、保持架或外環，被瞬時出現在保持架或外環檔邊內圓面與軸承座之間的金屬雜質短路，在短路時或短路后雜質燒毀而開路時發生的反電勢引起滾子、保持架兜孔燒傷。
[0045]為了防止或減少軸承燒毀的故障，在軸承座與外環檔邊內圓面、軸承座與保持架之間增加厚度為2?5mm的絕緣襯套，還對隨內環轉動的封嚴環和軸承外環或保持架相對應的部位增加環狀的絕緣襯套，如附圖10-3，該絕緣襯套可以用制造“塑鋼保持架”的高分子材料(如尼龍)制造；或對軸承座的鄰近外環檔邊內圓面和保持架的表面噴涂絕緣層，或還對隨內環轉動的封嚴環和軸承外環或保持架相對應的部位表面噴涂絕緣層，如附圖10-4，噴涂絕緣層的材料可以用環氧樹脂、尼龍、漆、EAA粉末、熱噴涂粉末、熱噴塑粉末、聚脲剛性防腐材料等等。
【權利要求】
1.一種減少絕緣軸承燒損的交流電機，包括軸承座、軸承和轉子，所述軸承安裝在所述軸承座上，所述軸承和轉子套接在電機軸上，其特征在于，所述軸承座與所述軸承、所述軸承座與所述轉子之間均設有絕緣保護結構。
2.根據權利要求1所述的減少絕緣軸承燒損的交流電機，其特征在于，所述絕緣保護結構為絕緣層，所述軸承座面向所述軸承的表面和所述軸承端蓋內側面向所述軸承的表面噴涂有絕緣層。
3.根據權利要求1或2所述的減少絕緣軸承燒損的交流電機，其特征在于，所述絕緣保護結構為絕緣襯套，所述軸承座面向所述軸承的表面、所述軸承端蓋內側與所述軸承之間的腔內均設有絕緣襯套。
4.根據權利要求2所述的減少絕緣軸承燒損的交流電機，其特征在于，所述絕緣層材料為環氧樹脂、尼龍、漆、EAA粉末、熱噴涂粉末、熱噴塑粉末、聚脲剛性防腐材料中的一種。
【文檔編號】H02K5/16GK203406718SQ201320411824
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年7月11日 優先權日:2013年7月11日
【發明者】唐德堯, 張弸 申請人:唐德堯