电机轴电流的分析

电机内磁路不对称或磁场畸变都会引起磁通 脉动。旋转的转轴切割这些脉动磁通，就会在两端 产生感应电压。
引起磁通脉动主要有以下几个因素： （１）整流、逆变电源输出电流中存在大量谐波 分量。这是产生脉动磁通的重要原因，有些直流电 机是由主发电机发出来的交流电经过整流供电， 交流电经过整流后并不完全是直流，它存在一个 脉动分量，脉流电机的电流中脉流分量占的比重 更大。变频调速电机是由逆变电源提供的近似正 弦波，谐波分量也占有相当大的成分。这些脉流、 谐波成份会在电机中产生脉动磁通。 （２ ）磁路不对称产生磁通脉动。在转子旋转 时，由于磁阻随转子位置改变而不同，所以磁通总 量就会产生周期性的变化，即磁通是脉动的。下面 以一台４极同步发电机为例说明，定子具有两个接 缝面。如图１所示，当转子在位置ａ和位置ｂ时，可以 清楚的看到，由于接缝处的磁阻很大，通过该处的 磁力线较少，当转子旋转在不同的角度时，整个定 子内的磁通是不同的，也就是说，磁通总量发生了 变化，造成磁通脉动。在这种情况下，轴上就会产 生感应电势，这种轴电压是交变的，其频率为磁通 脉动频率。 同样，转子支撑偏心，定转子气隙不均匀也会
（２）在额定功率、额定电压及额定转速下，将 毫伏表连接到尽可能靠近轴承座两端的轴表面 上，检测由轴磁通而产生的局部电流。对变速电动 机，可仅在最高额定转速下进行。
４ 轴电流的防止措施
轴电压对电机是没有损害的，只有形成轴电 流才会对轴承、转轴造成破坏，轴电流的形成需要 同时具备两个条件：一是轴承内圈与轴承外圈、轴 承室、机座形成一个闭合回路；二是轴承内圈和外 圈之间存在电位差，即轴电压。上述两个条件只要 一个条件不具备，就不会产生轴电流。通常采用两 种方法防止轴电流。
造成脉动磁通和产生轴电压。在另外一些情况下， 如由于绕组因匝间短路而出现不对称，电源电压 不对称、转子断条、非全相运行等故障均会造成气 隙空间谐波磁场分布的畸形，必然会在轴上产生 感应电势。 ２．２ 单极效应
由于电机中形成环绕轴的各种闭合回路，如 电刷装置的集电环、换向极绕组和补偿绕组连接 线，串激绕组连接线等，设计时应考虑让它们相互 抵消，如果设计不周，磁势不能相互抵消，就会产 生一个环轴的剩余磁势，使转轴磁化，并在电机旋 转时，在转轴两端产生一个感应电压，其原理和单 极发电机一样，故称单极电势。这种单极效应产生 的轴电压在恒定负载时，表现为直流分量，并随负 载电流而变化。 ２．３ 电容电流
关键词：轴电流 炼测 措施 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｉｓ ｅａｓｙ ｆｏｒ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ｔｏ ｉｎｄｕｃｔ ｔｈｅ ｓｈａｆｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｕｅ ｔｏ ｓｐｅｃｉａｌｔｙ ｏｆ ｉｔｓ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｅ－ ｓｅｎｔｓ ｈｏｗ ｔｏ ｄｉａｇｎｏｓｅ ｔｈｅ ｓｈａｆｔ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ｔｏ ｉｎｄｕｃｔ ｓｈａｆｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｓｕｇｇｅｓｔｓ ｔｈｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ． Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｗｏ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄ－ ｕｃｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｈａｆｔ ｃｕｒｒｅｎｔ Ｒｅａｓｏｎｓ ｔｏ ｉｎｄｕｃｔ ｓｈａｆｔ ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ
研究与交流
Research & Exchange
电机轴电流的分析
王鑫
永济电机厂修配公司（０４４５０２）
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｓｈａｆｔ－ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｏｔｏｒ Ｗａｎｇ Ｘｉｎ
摘 要：牵引电机由于其电源的特殊性，在运行中容易 产生轴电流，文章对牵引轴电流诊断的意义、产生的原因、预 防措施做了分析，最后介绍了二种实用的防电流装置。
○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○●○
简化电动机的分级控制和提高效率与功率因数提 供了可行的方案。电容内补偿采用的绕组段曲折
显著效果。３Ｖ／D和３６槽３Ｙ／３Ｙ联接双速电动机经 １５ｋＷ以下电动机的试运行，其３Ｖ接线的力能指标
参考文献 沈标正著．电机故障诊断技术．机械工业出版社，２００１．
（收稿日期：２００４－０８－２０）
１ 转轴 ２ 前轴套 ３ 轴承 ４ 轴承室 ５ 绝缘层 ６ 端盖 ７后轴套 图３
． 32 . ２ ０ ０ ５ 年第 １ 期《电机技术》
作者简介：王 鑫 ，１９７７生，男，工程师，１９９９年毕 业于西南交通大学电力牵引与传动专业，现在永 济电机厂修配公司从事电机技术工作，主管电机 开发、在全国中文核心期刊发表过论文两篇。
（１）绝缘轴承室 它的原理是破坏轴电流形 成的第一个条件，以西门子公司ＢＥ３９５ＢⅡ电铲车 上的异步电动机为例，如图３所示，轴承室是一个 带有绝缘层的钢套，它是在烘热端盖后，套在端盖 里。由于轴承室绝缘层的存在，使得轴电流无法流 入端盖构成一个回路，从而避免轴电流的产生。这 种结构的缺点是工艺复杂，成本较高。绝缘层的制 作需要到专业厂家涂镀，而且轴承室的绝缘层涂 镀以后，要经过加工才能达到精度要求，加工的过 程容易将绝缘层损坏，造成接地。
在特殊的事故状态下，强大的轴电流在很短 时间内就会损坏轴承。据资料显示，几个钢厂的大 型直流轧钢电机在发生环火的极短过程中，轴电 流就会在转轴轴承位和轴承内圈的表面产生许多 电弧放电蚀点。这是由于环火时，直流电机磁场产 生很强的瞬变过程，电枢绕组和铁心之间出现巨 大的电容电流，使轴电流短时达到很大量值，所以 就会出现严重的损坏。因此，对轴电压的检测和诊
联接和在相对滞后π／６角度的绕组段并联电容器， 使得各绕组近于对称的电流移相而克服电动机无 功功率大的缺陷。这种电容内补偿方法，在单速的 功率１ １ ０ ｋ Ｗ 以上的电动机上已试运行成功，并经 多台电动机试验，具有节约有功电量５％以上和无 功电量９ ５ ％ 以上，直接起动电流降低５ ０ ％ 以上的
１ 轴电压的诊断意义
设计和运行正常的电机，运行时转轴两端只
会有很小的电位差，这种电位差是通常说的轴电 压。当电机的设计、调整存在问题，电机出现故障 时，电机往往出现较高的轴电压。换句话说，较高 的轴电压往往是和电机设计问题、制造缺陷和各 种故障及不正常的电源条件有关。
轴电压对电机的损坏是由于它产生轴电流造 成的，最显著的现象是在转轴轴承位和轴承内圈 表面由于电弧放电产生的小而深的圆形蚀点。当 电机运行时，由于轴电压逐渐升高，到达一定数值 后，将会击穿轴承内圈和外圈之间的油膜，轴电流 将会在转轴、轴承内圈、轴承外圈、轴承室构成的 回路内流过。轴电流不但破坏油膜的稳定，而且由 于放电在转轴和轴承内圈的表面，产生很多蚀点， 破坏了轴承与转轴的良好配合，破坏油膜形成条 件，从而使轴承无法工作。
接近于单速电动机，D形接线的运行性能良好。
参考资料
１ 刘 涛，刘建平．异步电动机双绕组电容器内补偿的研究．电工技 术．２００２．２．
２ 刘建平等．双绕组电容内补偿电动机．中国专利局ＺＬ０１２２８６０５．２． ３ 许实章．新型电动机绕组．机械工业出版社，２００１．
（收稿日期：２００３－１１－２５）
． 30 . ２ ０ ０ ５ 年第 １ 期《电机技术》
转子绕组与铁心之间存在分布电容，在采用 静止电源供电时，电流的脉动分量就在转子绕组 和铁心之间产生电容电流，这样就会在轴和地之 间产生一个电位差。
３ 轴电压、电流的检测
对于大型直流电机，脉流电机、变频调速电机
有必要对轴电压、轴电流进行测定：
３．１ 轴电压的测定：轴电压一般不高，通常８ Ｖ ￣
１ ０ Ｖ ，测量时应选用１ ０ Ｖ ￣ ２ ０ Ｖ 的高内阻交流电压
５ 建议
１ 轴承外盖 ２ 刷杆座 ３ 刷杆 ４ 铜刷 ５ 压指 ６ 刷盒 ７ 转轴 图４
由于牵引电机的电源是经过整流的直流电， 往往含有较多的谐波成份。特别是脉流电机，谐波 成份占有相当大的比重，附极与补偿绕组串联，绕 组的增多容易使磁路不对称产生轴电流。变频电 机则是由逆变器供电，逆变器提供的交流电含有 许多高频成份，随着电机功率的增大，高频成份会 在转轴中产生相当大的轴电流，从而损坏轴承。所 以，脉流电机、变频电机，大型直流电机采用防轴 电流装置是很有必要的。
在对电机修理过程中，我们发现轴承烧死是 牵引电机的常见故障之一，它不仅使电机无法运 行，而且严重损坏电机转轴的轴承位，致使转轴报 废。这些经过严格出厂试验的电机，当它的轴承振 动、噪音、温升都检测合格后，为什么轴承仍然会 烧死？运行一段时间的电机，为什么转轴轴承位经 常出现许多小而深的圆形蚀点，除了轴承本身质 量、轴承安装原因，还有一个重要的因素，那就是 轴电压的存在。表，被试Leabharlann 机在额定电压下空载运行，如图２所示，
用电压表测定轴电压Ｕ１，然后将转轴一端与其轴 承座短接，测轴承对地的轴电压Ｕ２。测点表面与电 压表引线应接触良好。
当Ｕ １ ＝Ｕ ２ 当Ｕ１＞１．１Ｕ２ 当Ｕ １ ＜Ｕ ２
说明油膜状态良好 说明油膜绝缘不良 说明测笔放错
（ａ）
（ｂ）
图 １ 接缝面引起的磁通脉动
Research & Exchange
研究与交流
断分析尤其重要，它能发现电机存在的缺陷，诊断 电机出现的故障，并有助于监测电机铁心和绕组 的劣化过程。同时可以采取措施，避免轴电压产生 轴电流对轴承的损坏。
２ 轴电压产生的原因
电机运行时，转轴两端和对地出现的电位差 —轴电压，是由下面几种原因造成的。 ２．１ 磁通脉动
（２）轴上安置电刷 它的原理是破环轴电流
Research & Exchange
形成的第二个条件，消除轴承内外圈之间的电位 差。以日本Ｙ Ａ Ｓ Ｋ Ａ Ｗ Ａ 公司４ ６ ０ ｋ Ｗ Ｇ Ｂ Ｄ Ｒ － Ｋ 直流 岸吊电机为例，它带有补偿绕组，转轴传动端与端 盖之间装有电刷，通过电刷将转轴和端盖连在一 起，消除转轴上的感应电势，从而消除轴承内外圈 之间的电位差。如图４所示，由于轴电压通常只有 ８ Ｖ ￣ １ ０ Ｖ ，轴电流通常很小，所以电刷的截面积不 需要很大。图４的电刷为１０×１０×２０的铜刷，体积 小巧美观，铜比石墨硬得多，耐磨性强，不用经常 更换，所以无论从外观还是免维护、可靠性方面， 铜刷都比石墨电刷优越得多。在轴上安装铜刷，不 仅能消除轴电流，而且结构工艺简单，可靠性强， 是值得大力采用的一种方法。