軸電壓
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-26
軸電壓的實例教程
軸電壓是指電機運行時，電機兩軸承端或電機轉軸與軸承間所產生的電壓。其本質由于定子磁場的不平衡或大軸本身帶磁，當出現交變磁通時，在軸上感應出的電壓。
一、軸電壓產生的原因
1、磁不平衡產生軸電壓
電動機由于扇形沖片、硅鋼片等疊裝因素，再加上鐵芯槽、通風孔等的存在，造成在磁路中存在不平衡的磁阻，并且在轉軸的周圍有交變磁通切割轉軸，在軸的兩端感應出軸電壓。
2、逆變供電產生軸電壓
電動機采用逆變供電運行時，由于電源電壓含有較高次的諧波分量，在電壓脈沖分量的作用下，定子繞組線圈端部、接線部分、轉軸之間產生電磁感應，使轉軸的電位發生變化，從而產生軸電壓。
3、靜電感應產生軸電壓
在電動機運行的現場周圍有較多的高壓設備，在強電場的作用下，在轉軸的兩端感應出軸電壓。
4、外部電源的介入產生軸電壓
外部電源的介入產生軸電壓是由于運行現場接線比較繁雜，尤其大電機保 護、測量元件接線較多，哪一根帶電線頭搭接在轉軸上，便會產生軸電壓。
5、其他原因
如靜電荷的積累、測溫元件絕緣破損等因素都有可能導致軸電壓的產生。
二、軸電壓產生的危害
軸電壓不高，通常50~00MW的電機為4V→6V，但回路電阻很小，因此，產生的軸電流可能很大，有時達數百安。當軸承底座絕緣墊因安裝、油污、損壞或老化等原因失去絕緣性能時，發電機軸電壓足以擊穿軸與軸承之間的油膜而產生放電。發電會使潤滑的油質逐漸劣化，嚴重者會使軸瓦燒壞，被迫停機造成事故。
展開 問題的來源
電驅系統采用PWM控制電路，實際工作中由于高壓電回路中存在雜散電感，而在二極管關閉的過程中，雜散電感因變化的電流會產生感應電壓，即電壓振蕩。
下圖為下圖為典型的雙電極電壓（極性從正極到負極交替變化的電壓）沖擊圖
圖源：公眾號：調皮的JINX
參數解釋：
Va：穩態沖擊電壓，對應直流電路電壓Vdc
Vp：峰值電壓
Vos：過沖電壓，即電壓振蕩，計算公式為Vos=L*di/dt
相比400V的硅基IGBT產品，800V產品不僅電壓平臺提升，處于效率考量通常會采用碳化硅基MOSFET。di/dt值更高，電壓振蕩幅度也更大。電壓振蕩幅度變大會帶來兩個問題，軸承電腐蝕和繞組局部放電。
軸承電腐蝕
軸電流的形成
由于電機繞組中性點電壓在任意時刻都不為零，在PWM變頻供電時，定子繞組與殼體、定子繞組與轉子、轉子與定子鐵心以及軸承形成共模通路的等效電路，即共模電壓。共模電壓的值與電機母線電壓成正比，頻率受逆變器載波頻率影響。
來源：《基于PWM逆變器供電軸電流問題的交流電機》
對于軸承而言，作為等效電路的一部分，等比例形成對地電壓。在軸承油膜完好的情況下，軸承對地電壓和電機共模電壓之比定義為BVR。隨著電壓平臺的提升，BVR也會不斷增大，即800V平臺BVR值高于400V平臺。
來源：《基于PWM逆變器供電軸電流問題的交流電機》
另外，共模電壓產生軸對地電壓的同時，還會產生高頻感應軸電壓，進而產生共模電流，生成共模磁通，通過共模磁通產生感應軸電壓。共模電流的流經路線為通過定子繞組進入電機，流經硅鋼片，通過電機外殼接地流出。
展開 高頻感應軸電壓產生的機理包括定子繞組與機殼的寄生電容不對稱、共模電路中繞組和機殼之間的漏電流發生變化、在電機軸上等效出一個共模電流變化和相應的感應磁通。
通過創新的「富蘭克林」引流技術，可將軸承上的近60V~80V電壓的電流導出，較好的解決了其對軸承之間潤滑膜耐壓性能的沖擊，從而大幅降低軸承失效的風險。
一種方案是使用金屬軸將測功機傳動軸與電機機械軸相連，這個方案在電機安裝上去之后，電機的機械軸與測功機傳動連接軸和電機L型安裝支架導通，也就是說電機的機械軸與電機的外殼導通。另一種方案是絕緣軸方案，電機的機械軸與測功機傳動軸和L型安裝支架隔離，不導通。以下是某個電機與控制器二合一樣品的兩種方案的輻射發射測試結果。以峰值檢波器為例，藍色線為金屬軸測試數據，綠色線為絕緣測試數據。 圖2 0.15~30MHz_垂直 圖3 30~200MHz_垂直 圖4 30~200MHz_水平 圖5 200~1000MHz_垂直 圖6 200~1000MHz_水平 圖7 1000~2500MHz_垂直圖8 1000~2500MHz_水平從圖2至圖8的測試數據曲線上可以看出，兩種工裝設計方案所測得的數據主要存在差異的頻點是在桿天線測試的2MHz~30MHz，最大相差30多dB。回過頭來看，兩種工裝設計方案的目的都是為了使電機的機械軸連接到測功機的傳動軸來實現帶載工況，首先從電驅系統工作的原理上來分析，在電驅系統工作時，由逆變器功率器件 IGBT 的快速通斷形成的陡峭電壓邊沿通過電機內的寄生電容產生干擾電流。該電流被稱之為軸電流。一般軸電流分為兩種，見圖9。圖9 軸電流第一種是環電流，由上述開關電壓邊沿變換在繞組與機殼之間的等效電容以及對地都將產生高頻容性漏電流，這類漏電流將導致電機軸周圍定子繞組的磁通不平衡，從而感應出高頻軸電壓Vshaft。當電機軸承上的潤滑油膜的絕緣性寄生電容不能承受軸電壓而擊穿，容性電流形成，該電流沿著軸循環，通過軸承，然后沿著框架到另一個軸承，然后回到軸上。同時該循環電流總是伴隨著靜電放電電流，所以這也是影響輻射發射測試結果的因素之一。而這種電流環路信號在兩種工裝方案中都會存在。
展開 車企應用800V平臺架構，需要對其核心三電技術以及功率器件的耐壓、損耗、抗熱的要求更高：
1.電機方面
具體來看有以下幾點：
軸電壓的產生：電機控制器供電為變頻電源，含有高次諧波分量，逆變器、定子繞組、機殼形成回路，產生感應電壓，稱為共模電壓，在此回路上產生高頻電流。由于電磁感應原理，電機軸兩端形成感應電壓，成為軸電壓，一般來說無法避免。
轉子、電機軸、軸承形成閉合回路，軸承滾珠與滾道內表面為點接觸，若軸電壓過高，容易擊穿油膜后形成回路，軸電流出現導致軸承腐蝕。
800V的逆變器應用SiC，導致電壓變化頻率高，軸電流增大，軸承防腐蝕要求增加。
同時，由于電壓/開關頻率增加，800V電機內部的絕緣/EMC防護等級要求提升。
800V應用SiC造成軸電流增加大而擊穿油膜風險增加
2.電控方面
以Si-IGBT為例，450V下其耐壓為650V，若汽車電氣架構升級至800V，考慮開關電壓開關過載等因素，對應功率半導體耐壓等級需達1200V，而高電壓下Si-IGBT的開關/導通損耗急劇升高，面臨成本上升而能效下降的問題。
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軸電壓的最新內容
由于電磁感應原理，電機軸兩端形成感應電壓，成為軸電壓，一般來說無法避免。
轉子、電機軸、軸承形成閉合回路，軸承滾珠與滾道內表面為點接觸，若軸電壓過高，容易擊穿油膜后形成回路，軸電流出現導致軸承腐蝕。
800V的逆變器應用SiC，導致電壓變化頻率高，軸電流增大，軸承防腐蝕要求增加。
2、首臺A型車全碳化硅牽引逆變器裝車運營考核
（1）硅基IGBT應用情況：地鐵列車牽引逆變器為列車運行提供動力，IGBT是牽引逆變器的核心功率半導體器件，傳統IGBT芯片采用硅材料制作，目前硅基IGBT元件的發展已經接近極限，硅基IGBT牽引系統仍存在以下不足：開關頻率較低（500Hz）；功率密度較低；體積相對較大，重量相對較重；電機軸電壓、電機溫升及運行噪聲高；系統效率提升空間不大。
圖片來源：馬瑞利
在電機的運轉過程中，由于電磁感應原理，電機轉子和殼體之間會產生電壓。由于軸電壓的存在，軸承的內外圈之間出現電勢差便會產生軸電流，加上軸承的轉動便極易產生電火花。在高溫的情況下，電火花容易對軸承產生電腐蝕，造成軸承內表面的熔化和剝離，導致軸承噪音變大，壽命降低。
這樣看來，控制軸電流似乎是預防軸承電腐蝕的關鍵。
是單向脈動性直流電壓波形，從圖中可以看出，電壓的方向性無論在何時都是一致的， 但在電壓幅度上是波動的，就是在時間軸上，電壓呈現出周期性的變化，所以是脈動性的。
但根據波形分解原理可知，這一電壓可以分解一個直流電壓和一組頻率不同的交流電壓，如圖 1(b)所示。在圖 1(b)中，虛線部分是單向脈動性直流電壓 U。中的直流成分，實線部分是 UO 中的交流成分。
幅頻波特圖表示電壓增益隨頻率的變化情況，其中Y軸為電壓增益的對數形式（20lgG）,X軸為頻率或者頻率的對數形式lgf。相頻波特圖是相位（θ）隨頻率的變化情況。Y軸是相位，X軸為頻率。
以直流增益為100dB的單極點系統為例，幅頻波特圖如圖2.89(a)，X軸是Hz為單位的頻率，Y軸是以dB為單位的增益。
來源：《基于PWM逆變器供電軸電流問題的交流電機》
另外，共模電壓產生軸對地電壓的同時，還會產生高頻感應軸電壓，進而產生共模電流，生成共模磁通，通過共模磁通產生感應軸電壓。共模電流的流經路線為通過定子繞組進入電機，流經硅鋼片，通過電機外殼接地流出。
軸電壓的產生：
電機控制器供電為變頻電源，含有高次諧波分量，逆變器、定子繞組、機殼形成回路，產生感應電壓，稱為共模電壓，在此回路上產生高頻電流。由于電磁感應原理，電機軸兩端形成感應電壓，成為軸電壓，一般來說無法避免。
首先我們要注意的是電驅動系統中，共模電流產生的軸電壓。電動汽車里面的驅動電機軸電壓還是以「容性電壓」為主，它的源頭是PWM控制產生的共模電壓，經過層層寄生電容進行分壓，最終按照一定的比例分到軸承兩端。高頻感應軸電壓產生的機理包括定子繞組與機殼的寄生電容不對稱、共模電路中繞組和機殼之間的漏電流發生變化、在電機軸上等效出一個共模電流變化和相應的感應磁通。
二、濾波原理
1.單向脈動性直流電壓的特點
圖1（a）所示是單向脈動性直流電壓波形，從圖中可以看出，電壓的方向性無論在何時都是一致的，但在電壓幅度上是波動的，就是在時間軸上，電壓呈現出周期性的變化
答：產生軸電壓的原因如下：1、由于發電機的定子磁場不平衡，在發電機的轉軸上產生了感應電勢；2、由于汽輪發電機的軸封不好，沿軸有高速蒸汽泄漏或蒸汽缸內的高速噴射等原因，而使轉軸本身帶有靜電荷
190、額定容量是100千伏安的變壓器，能否帶100千瓦的負載?
