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新能源汽車如何防止電機軸承電腐蝕
2024-05-28
來源：北京匯智慧眾汽車技術研究院
（版權歸原作者或機構所有）
新能源汽車驅動電機具有高功率、高電壓、高轉速、高頻率的特性，伴隨而來的是軸承電腐蝕時有發生。軸電壓分四大類型，對軸承的損傷也不完全相同，這里就不一一展開了。如何限制軸承電腐蝕發生，各企業仁者見仁智者見智，不過大體分三類：扼流限制，絕緣阻斷和旁路疏導。
01 扼流限制
通過在變頻器的輸出端放置扼流磁環或者扼流線圈，如果設計好的話，扼流環可以消耗掉變頻器開啟、關停時的上沖及熄滅尖峰電壓，同時也會降低導體高頻感抗帶來的諧波電壓，有效改善EMI的表現。但是需要注意的是它無法消除電機的共模電壓，而汽車驅動電機恰恰是共模電壓擊穿導致的軸承電腐蝕嚴重。另外這種方式通常需要比較大的安裝空間。
02 絕緣阻斷
通過對軸承或關聯零部件的絕緣措施，將軸電流的路徑切斷。值得注意的是如果采用陶瓷球軸承，基本可以解決該軸承的電腐蝕問題。但如果采用絕緣涂層，在高頻情況下，絕緣層的高頻阻抗是非常低的，未必能承受電壓沖擊，這種擊穿情況在其他行業時有發生。當然即使保護了絕緣軸承本身，但軸和后面的負載端都是硬連接，在軸上有電的情況下，電會通過連接點輸出到負載端，并在負載端找到薄弱處釋放。
03 旁路疏導
增加低電阻旁路，使電荷通過這個增加的旁路泄導，這樣軸電壓降低，通過軸承的電流會很小，并減少電壓擊穿風險，有效保護軸承。市面上疏導方案主流有導電碳棒、導電油封、導電油脂和接地導電環四種類型。下面介紹一下四種疏導方案的優劣勢。
壓接導電（導電碳棒，導電金屬片）
使用碳棒一端與軸接觸，另一端接地，將電導入地下防止軸電壓的產生。
優勢：
成本低
缺點：
無論碳棒還是軸都是硬質固體材料，由于接觸面不會完全光潔，在高速相對運動時，其接觸一定是彈跳接觸。在直流或低頻下，由于壓簧的作用，其彈開的時間非常短，不會影響導通。但軸電壓是高頻電壓，在碳棒彈開的瞬間，極有可能會有多個頻率軸電壓未被泄導，并在軸承處產生放電，腐蝕軸承。
其次，碳棒存在可靠性耐久問題。碳棒是整體材料壓制，存在磨損的情況。它在工業電機行業屬于消耗品，隔4-6個月需要更換。另外在油冷環境下，潤滑油滲透進去，會使碳棒變得松軟，碳粉更加容易被磨掉，加劇縮短其使用壽命。
另外由于上面說的碳棒和軸是彈跳接觸，碳棒被折斷也時有發生。
緊配導電（導電PTFA，導電橡膠，導電碳布）
在軸上設置導電緊配類油封材料，機殼與轉子上的電荷通過導電油封傳導至機殼，機殼設置接地的連接。
優勢：無需額外安裝操作。在安裝初期效果特別好，特別是高速情況下由于軸轉動帶動導電油封變形，使導電材料口收得更緊，導電性能更好。
缺點：導電油封和軸承是緊配安裝壓入，緊配要求抱緊力強，這樣會損失一部分功率，導致電機發熱。導電油封的外緣為塑料件和橡膠件，而由于汽車是運動件，軸本身也有一定的跳動，磨的時間長了以后緊配變松配，跟軸之間會產生間隙，導電就變得時斷時續。油冷環境下，油進入間隙以后會形成一個隔絕層，電就導不出來。所以導電油封在初始狀態測效果不錯，但是存在耐久性問題。
導電油脂
與普通軸承尺寸完成相同，只是在絕緣的油脂里加入一些導電顆粒，通過導電顆粒卸載軸電壓避免容性擊穿放電。
優勢：設計簡單；優化改動小，成本優；測試軸電壓降低很多。
缺點：導電油脂其實就是潤滑油脂加一些導電材料。潤滑油脂浸潤性非常好，導電顆粒表面就會形成一層絕緣油膜，形成離散分布的非連續導體，油脂導電就變成絕緣油脂電容擊穿和導電材料電阻導電相結合，雖然電壓降下來了，但持續的擊穿放電，軸承損壞的速度甚至超過非導電油脂。另外擊穿放電產生的熱量會導致油脂快速硬化和氧化，影響導電效果。
過盈導電（纖維導電環）
設計纖維過盈量，使汽車全壽命周期內，纖維都能與軸接觸，電流通過纖維泄導。
優點：全壽命周期免維護，軸跳動對導電環幾乎沒有影響。
但需要注意以下幾個方面：
靜態電阻的大小
非絕緣軸承在靜態時的電阻一般在1Ω左右，安裝導電環以后軸對地電阻要低于1Ω，才能在汽車起步和加減速的時候，對軸承起到保護作用。
化學穩定性
在油冷電機中，導電環需要和ATF油直接接觸。ATF油含多種添加劑，化學成分復雜，這就要求和它接觸產品的化學穩定性要高，能與ATF油化學相容，否則會發生化學反應進而影響軸接地效果，甚至導致整個電驅系統潤滑、冷卻、絕緣失效。所以在油冷條件下使用的軸接地產品的化學穩定性是需要考量的重要指標。因此，軸接地產品方案中不建議使用穩定性低的有機物，例如膠粘劑等。
保證接觸良好
要保證導電環的纖維頂端和軸始終接觸。油冷電機的轉軸上有一層油膜，這層油膜會在轉軸和導電環之間形成一個絕緣層。導電環的纖維要夠硬夠挺，才能刺破這層油膜。
方案：接地導電環，一邊與軸接觸，另一端安裝在殼體上（接地）即可，將電導入地下即可有效防止軸電壓的產生。
1、特殊的材料，兼具導電性和柔韌性，保證接觸電阻遠小于1Ω，同時在高速磨損的過程中不至于斷裂；
2、特殊的結構，既保證纖維在任何情況下不會脫落，又保證不使用任何有機成分，沒有任何兼容性問題；
3、特殊的設計，既保證在風冷/水冷情況下的壽命，又保證在有油環境下的導電性。
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