修正或者解決電動機和變速驅動導致軸承產生電蝕的方法有很多種,比如修正電纜的屏蔽、提高電動機底座的接地性、使用單相過濾器、在定子與轉子之間安裝電磁屏蔽、使轉子接地或使用不導電的聯軸器。然而,最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現,使軸承作為絕緣體常是最簡單有效的方法(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。第1種方法是在外圈外徑面或內圈內徑面增加陶瓷塗層(圖2);第2種方法是使用陶瓷材料加工的滾動體。依據軸承的尺寸,第1種方法可能比第2種更經濟。
陶瓷塗層一般為氧化鋁,厚度為100微米左右。在直流電動機中,該塗層是具有50MΩ或更大阻值的純絕緣體。陶瓷軸承與無塗層的標準軸承具有相同尺寸和公差(圖3)。
交流電動機中的高頻電流通過PWM變頻器產生,陶瓷塗層或滾動體不作為純粹的絕緣體或電阻器。在這種情況下必須將所有的軸承零件、氧化鋁塗層及軸承座考慮在內後構造等效電路圖。在電阻器與電容器之間氧化鋁塗層必須被模擬成並聯,這意味著必須要考慮阻抗。考慮阻抗相當複雜,主要包括電阻R、電容C和頻率f。為了增加軸承阻抗,塗層的電容應保持儘可能小。電容取決於表面塗層面積、塗層厚度以及塗層材料。阻抗與頻率和電容與頻率的影響如圖4所示,可表達為
式中:Z為阻抗;ω為角頻率;ε為絕緣塗層的介電常數;ε0為真空中的介電常數;A為塗層面積;S為陶瓷塗層的厚度。
通過減少塗層接觸面積或增加塗層厚度可減少電容。雖然通常在外圈上噴塗層,但也可在內圈上噴塗層來替代,這取決於軸承尺寸。使用陶瓷滾動體也會減少軸承電容。
陶瓷滾動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體一般由氮化矽加工。對於直流電流,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。混合軸承是切斷直流電流通過滾動體與滾道接觸路線的非常有效的工具。PWM產生的高頻電流使混合軸承的陶瓷滾動體可作為內圈與外圈之間的電介質。混合軸承的電容非常低(約為μμF)。氮化矽滾動體具有相對較大的直徑、較小的滾道接觸尺寸和低的相對介電常數εr,使其即使在達到1 MHz的頻率下阻抗高於1 kΩ因此,混合軸承是預防軸承電損傷的一種非常有效的工具,尤其是對高頻電流的損傷預防效果更好。
採用氮化矽滾動體的電機軸承推薦使用具有聚脲稠化劑和酯基油的脂作為潤滑劑。研究發現,具有這些化學成分的脂在高速旋轉及高工作溫度的電動機中具有良好壽命。混合軸承中的潤滑脂壽命可比標準軸承長4倍。軸承套圈上噴塗陶瓷層或採用陶瓷滾動體的電容通常比在軸承座中使用絕緣套管要低。這2個特性集成到軸承後,軸承更易安裝。
案例1
北美一家主要的水泥生產商在爐渣烘乾線的主離心風機中所用為具有1 200 hp的直流電動機,其可在750~1 800 r / min之間變頻調速,由於軸承問題,每5周就需要更換或重新組裝電動機。所用軸承為6230M/C3深溝球軸承。電蝕絕對是軸承失效的根本原因。2012年8月,2套用陶瓷滾動體的6230M/C3深溝球軸承替代用鋼製滾動體的正常軸承。電動機在2014年夏天因其他原因需要修理時,拆解發現軸承沒有電蝕損傷跡象,軸承壽命從5周延長到2年以上。避免意外關閉和重新安裝的成本,估計節約47 100美元/年。
案例2
在288 kW交流電動機驅動的立式輥磨機上,東南亞的水泥廠經歷了長期的早期軸承失效。失效曾經每隔3~6個月就會發生,導致平均6 h的偶然停機時間和重大的生產力損失。軸承製造商通過分析斷定失效的根本原因是雜散電流穿過電機軸承。解決方法是:外圈上噴塗陶瓷層的軸承安裝在非驅動端,並在驅動端安裝內圈上噴塗陶瓷層的軸承。軸承自2015年起運轉超過3年且沒有發現任何故障,節約超過68 000美元。
儘管陶瓷軸承的前期成本比標準滾動軸承粗略估計要高3倍以上,但總成本顯著降低且生產時的正常運行時間相應延長。
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