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详解3类轴承电腐蚀解决方案:优劣势对比

新能源汽车驱动电机具有高功率、高电压、高转速、高频率的特性,伴随而来的是轴承电腐蚀时有发生。轴电压分四大类型,对轴承的损伤也不完全相同,这里就不一一展开了。如何限制轴承电腐蚀发生,各企业仁者见仁智者见智,不过大体分三类:扼流限制,绝缘阻断和旁路疏导。


限制:通过在变频器的输出端放置扼流磁环或者扼流线圈,如果设计好的话,扼流环可以消耗掉变频器开启、关停时的上冲及熄灭尖峰电压,同时也会降低导体高频感抗带来的谐波电压,有效改善EMI的表现。但是需要注意的是它无法消除电机的共模电压,而汽车驱动电机恰恰是共模电压击穿导致的轴承电腐蚀最严重。另外这种方式通常需要比较大的安装空间。


阻断:通过对轴承或关联零部件的绝缘措施,将轴电流的路径切断。值得注意的是如果采用陶瓷球轴承,基本可以解决该轴承的电腐蚀问题。但如果采用绝缘涂层,在高频情况下,绝缘层的高频阻抗是非常低的,未必能承受电压冲击,这种击穿情况在其他行业时有发生。当然即使保护了绝缘轴承本身,但轴和后面的负载端都是硬连接,在轴上有电的情况下,电会通过连接点输出到负载端,并在负载端找到最薄弱处释放。和骋科技遇到大量的案例是电机前后端都用绝缘轴承,变速箱的轴承和花键被电腐蚀,损失更大!


疏导:增加低电阻旁路,使电荷通过这个增加的旁路泄导,这样轴电压降低,通过轴承的电流会很小,并减少电压击穿风险,有效保护轴承。市面上疏导方案主流有导电碳棒、导电油封、导电油脂和接地导电环四种类型。比较有意思的是我们在产品开发时也都一一对比实验过。


四种疏导方案优劣势对比


压接导电(导电碳棒,导电金属片):使用碳棒一端与轴接触,另一端接地,将电导入地下防止轴电压的产生。


优势:成本低


缺点:无论碳棒还是轴都是硬质固体材料,由于接触面不会完全光洁,在高速相对运动时,其接触一定是弹跳接触。在直流或低频下,由于压簧的作用,其弹开的时间非常短,不会影响导通。但轴电压是高频电压,在碳棒弹开的瞬间,极有可能会有多个频率轴电压未被泄导,并在轴承处产生放电,腐蚀轴承。


其次,碳棒存在可靠性耐久问题。碳棒是整体材料压制,存在磨损的情况。它在工业电机行业属于消耗品,隔4-6个月需要更换。另外在油冷环境下,润滑油渗透进去,会使碳棒变得松软,碳粉更加容易被磨掉,加剧缩短其使用寿命。


另外由于上面说的碳棒和轴是弹跳接触,碳棒被折断也时有发生。


紧配导电(导电PTFA,导电橡胶,导电碳布):在轴上设置导电紧配类油封材料,机壳与转子上的电荷通过导电油封传导至机壳,机壳设置接地的连接。


优势:无需额外安装操作。在安装初期效果特别好,特别是高速情况下由于轴转动带动导电油封变形,使导电材料口收得更紧,导电性能更好。


缺点:导电油封和轴承是紧配安装压入,紧配要求抱紧力强,这样会损失一部分功率,导致电机发热。导电油封的外缘为塑料件和橡胶件,而由于汽车是运动件,轴本身也有一定的跳动,磨的时间长了以后紧配变松配,跟轴之间会产生间隙,导电就变得时断时续。油冷环境下,油进入间隙以后会形成一个隔绝层,电就导不出来。所以导电油封在初始状态测效果不错,但是存在耐久性问题。




导电油脂:与普通轴承尺寸完成相同,只是在绝缘的油脂里加入一些导电颗粒,通过导电颗粒卸载轴电压避免容性击穿放电。


优势:设计简单;优化改动小,成本优;测试轴电压降低很多。


缺点:导电油脂其实就是润滑油脂加一些导电材料。润滑油脂浸润性非常好,导电颗粒表面就会形成一层绝缘油膜,形成离散分布的非连续导体,油脂导电就变成绝缘油脂电容击穿和导电材料电阻导电相结合,虽然电压降下来了,但持续的击穿放电,轴承损坏的速度甚至超过非导电油脂。另外击穿放电产生的热量会导致油脂快速硬化和氧化,影响导电效果。



过盈导电(纤维导电环):设计纤维过盈量,使汽车全寿命周期内,纤维都能与轴接触,电流通过纤维泄导。


优点:全寿命周期免维护,轴跳动对导电环几乎没有影响。


但在需要注意以下几个方面:



静态电阻的大小

非绝缘轴承在静态时的电阻一般在1Ω左右,安装导电环以后轴对地电阻要低于1Ω,才能在汽车起步和加减速的时候,对轴承起到保护作用。


化学稳定性

在油冷电机中,导电环需要和ATF油直接接触。ATF油含多种添加剂,化学成分复杂,这就要求和它接触产品的化学稳定性要高,能与ATF油化学相容,否则会发生化学反应进而影响轴接地效果,甚至导致整个电驱系统润滑、冷却、绝缘失效。所以在油冷条件下使用的轴接地产品的化学稳定性是需要考量的重要指标。因此,轴接地产品方案中不建议使用稳定性低的有机物,例如胶粘剂等。


保证接触良好

要保证导电环的纤维顶端和轴始终接触。油冷电机的转轴上有一层油膜,这层油膜会在转轴和导电环之间形成一个绝缘层。导电环的纤维要够硬够挺,才能刺破这层油膜。



和骋科技的方案:接地导电环,一边与轴接触,另一端安装在壳体上(接地)即可,将电导入地下即可有效防止轴电压的产生。



1

特殊的材料,兼具导电性和柔韧性,保证接触电阻远小于1Ω,同时在高速磨损的过程中不至于断裂;

2

特殊的结构,既保证纤维在任何情况下不会脱落,又保证不使用任何有机成分,没有任何兼容性问题;

3

特殊的设计,既保证在风冷/水冷情况下的寿命,又保证在有油环境下的导电性。


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