为了定量EDM及dv/dt电流对轴承的影响,轴承内的电流密度十分关键。建立电流密度需估计滚珠与滚道内表面的点接触区域。根据赫兹点接触理论(Hertzian point contact theory),轴承电气寿命可用如下公式求得[2>:
Elec Life(hrs)= (7)
式中, 代表轴承电流密度。一般而言,dv/dt电流对轴承寿命影响很小,而由EDM产生的轴承电流密度很大,使得轴承寿命大大降低。另外,空载时轴承损坏程度反而比重载时大得多,这是因为重载时轴承接触面积增大,无形中减小了轴承电流密度。
4 轴电压与轴承电流的仿真分析
为进一步讨论轴承电流与PWM逆变器输出电压特性以及电机端有无过电压之间的关系,本文对dv/dt电流与EDM电流两种形式的轴承电流分别进行仿真分析,结果发现,轴承电流不仅与逆变器载波频率有关,且与逆变器输出脉冲电压的上升时间有关,同时当电机端出现过电压时轴承电流明显增加。
先假定电缆长度为零,根据轴承电流的存在形式可知,dv/dt电流主要是由输入跳变电压引起,因此dv/dt电流大小与逆变器载波频率和电压上升时间有关。逆变器载波频率越高,一个正弦波周期内产生的dv/dt电流数量也就越多,但此时电流幅值不变。脉冲电压上升时间是影响dv/dt电流幅值的决定性因素,另外分布电容的大小也影响dv/dt电流幅值。而EDM电流产生的直接原因是轴电压的存在,因此轴电压的大小决定了EDM电流幅值,轴电压的大小决定于输入电压的大小及电机内分布电容的大小。虽然逆变器载波频率和脉冲电压上升时间都会影响轴电压的形状,但轴电压的峰值与二者都没有关系,因此EDM电流与二者也没有本质的联系,这是EDM电流与dv/dt电流最大区别之处。当然,EDM电流还与轴承油层的击穿电压有关,击穿电压越高,产生的EDM电流越大。为讨论方便,假设轴承击穿电压大于或等于轴电压。
4.1 改变上升时间tr
仿真得到不同上升时间的轴电压与轴承电流波形如图5所示,其中图a)和b)为轴电压波形,图c)和d)为轴承电流波形,电流波形中第一次出现振荡的为EDM电流,其他为dv/dt电流。由分析可知,1)tr增大轴承电流减少,包括dv/dt电流与EDM电流。尤其是dv/dt电流幅值减小十分明显,但tr对EDM电流的影响不大,这主要是因为EDM电流由轴电压以及轴承阻抗决定;2)当tr小于一定值(约为200ns)后,dv/dt电流甚至高于EDM电流;3)改变上升时间对轴电压的影响不大;4)特殊现象:轴电压在电压击穿时出现两次振荡,tr不影响第一次振荡,但影响第二次振荡,且第二次振荡随着tr的上升而减少,其原因是轴承短路后定子绕组到转子的耦合路径依然存在,所以出现一个dv/dt电流振荡。 |