EV驱动电机的电蚀评估与Aegis®接地环保护方案
EV驱动电机的电蚀评估与Aegis®接地环保护方案
EV驱动电机的电蚀评估方法以及保护轴承免受轴电流影响的Aegis®接地环介绍
变频器电机在原理上会产生轴电压（共模电压），并且这会在轴承中释放。当在释放时电流通过轴承时，会产生火花，导致轨道表面熔化，形成微小坑洞或微小凹坑的损伤。
如果忽略这种现象（电蚀），将导致轴承发出异音并增加振动，进而降低寿命。
在本应用案例中，将介绍使用HIOKI暂态记录器(示波器)MR6000进行轴电压测量的方法，以及对策产品，如将轴电流绕过或绝缘以防止电流流入轴承。
主要对象
- 马达制造商
- 变频器制造商
- e-Axle（EV驱动马达系统）制造商
- 轴承制造等的设计．开发．品质检验
市场动向
变频器马达的驱动电压每年都在增加，甚至在电动汽车（EV）中也出现了800V的驱动系统。当高电压作用于马达时，易产生导致电蚀的轴电流。
特别是在EV中，由于包括e-Axle等多轴承在内，马达和变速箱集成在一起，因此电蚀的风险更大。为了延长马达寿命并预防轴承损坏，设计品质变得越来越重要。
因轴电压放电导致的电蚀为何？
因为变频器驱动马达使用脉冲宽度调制（PWM）进行控制，所以会通过定子和转子之间的静电容量，在马达轴上产生共模电压。当电电压达到导致润滑脂绝缘损坏的水平时，会反复发生放电，进而导致润滑劣化和轴承损坏（放电时的EDM=Electrical Discharge Machining 导致坑洞形成和熔化金属成分导致磨损），缩短马达寿命。
使用暂态记录器(示波器)MR6000进行轴电压测量
接下来，介绍测量导致电蚀的轴电压放电波形的方法。为了测量旋转中的马达轴的电压，需要使用专用的轴电压探棒。如果测量结果显示放电频繁，则需要采取措施预防润滑剂劣化和轴承损坏。
使用马达台进行轴电压测量
- 使用设备：暂态记录仪（示波器）MR6000、高速模拟模块U8976、Aegis®轴电压探棒PP 510
- 测量方法：将轴电压探棒的前端接触马达的转轴上，并将其输出输入到MR6000中。
- 记录条件：取样速度100 MS/s，记录点100 M点（记录点应根据所需的记录时间进行设置）。
共模电压波形
一般情况下，20 Vp-p至120 Vp-p的共模电压可在马达轴上通过转子和定子之间的静电容量产生。这些脉冲波形是由变频器产生的三相脉冲引起的，通常是由由于变频器到马达的脉冲宽度调变（PWM）脉冲导致的，有有时候会呈现方波状。当共模电压波形达到最大p-p时，这表示在轴承中没有放电，但在未绝缘的轴承中，这可能导致绝缘损坏并开始放电。在这个记录画面中并未观察到放电，但您可以使用搜索功能从记录的所有点中缩小放电存在的范围。
有放电时EDM放电波形
一般而言，EDM放电模式在20 Vp-p至80 Vp-p之间，具体取决于马达和轴承的类型等因素。从波形可以看出，轴电压上升后急剧下降，这是由变频器的载波频率，可能每秒数千次。急剧下降的放电是高频的，通常在1 MHz至125 MHz的“放电频率”范围内。正如左图所见，MR6000可以通过扩大存储的波形的时间轴，并使用追踪游标功能来确认其数值。
使用暂态记录器(示波器)MR6000，有效测量多处的轴承
普及中的e-Axle驱动系统，由于马达、变频器和减速机是一体化设计，因此在多处使用了轴承。因此，为了全面测量封包e-Axle驱动系统中的轴电压影响，多通道同时测量是有效的。由于变频器的PWM电压和电流，以及驱动马达产生的轴电压可能通过齿轮对其他轴承造成电蚀，多通道测量能有效解析这些相关性，而MR6000正是实现这一目标的有效工具。
MR6000和高速模拟模块U8976、轴电压探棒的组合使用，可以多通道测量：马达的轴电压、变频器的PWM电压、解角器讯号的测量范例。
取样速度100 MS/s、Point数100 MPoint、轴电压（黄）、PWM电压（紫）、讯号的励磁（蓝）、cos（粉）、sin（绿）的实测波形范例
旋转角度（橙）为显示波形演算处理后的结果（限定于区间游标间）
使用搜寻功能筛选放电点，并扩大时间尺度的波形范例
放电的峰值可以使用游标功能进行读取。
可只显示轴电压、PWM电压、旋转角度（依照波形演算）等数值
左侧画面上段：暂态记录器(示波器)MR6000实测的轴电压
左侧画面下段：可将时间轴放大确认详细的放电波形
轴电压测量的组合例
HIOKI暂态记录器(示波器)MR6000和高速电压模块U8976、轴电压测量用刷型探棒（其他公司制造）的组合使用，可以测量马达的轴电压波形。MR6000主机最多可安装U8976共8个，最多16 ch的同时测量。
解决方案
马达轴电压测量的结果发现放电非常频繁的话，请遵循以下方法防止润滑脂的劣化或是轴承损伤。
- 不让马达内部轴承发生轴电压，进行轴接地（适当的高频接地、轴接地）
- 输出为75 kW以上的马达时，进行反负载侧的绝缘轴承等零件之轴绝缘
零件使用循环解决方案
机械或设备在运行或保管过程中，会因磨损、劣化、疲劳等因素，最终出现故障。右边的P-F曲线概念图说明了检测故障的状况监控技术。至今为止，已经提出了振动分析、听诊、温度测量等各种状态监控技术，并发挥了重要作用。然而，多数情况下，这些检测技术在发现到异常时，已经出现振、异音、发热等损伤或劣化的迹象。
轴承故障的主要原因多与润滑品质有关。没有振动和异音的“正常机械”中，理想的油膜形成，轴承的油膜阻抗较高，这往往导致从高电压到急剧电压下降（放电）的现像，表明润滑劣化已经开始。
降低故障发生频并能更早检测异常，对于机械和设备来说是非常理想的。通过确定并监控故障的根本原因，并去除这些原因，是设备运行优化的关键。
因此，对轴电压进行状态监控的预知保全有助于早期采取对策，最终最大化设备的正常运行时间，并将突发停机的损失降至最低。
维护轻松且能去除轴电压 “Aegis®接地环”
由 Electro Static Technology（ITW Group） 开发的 Aegis® SGR/Aegis® PRO 系列轴接地装置，利用导电性微纤维，迄今已在全球范围内保护了众多电机马达，防止了电蚀和射频干扰的影响。
【日本国内采用实际案例场所】
●造纸厂 ●钢铁厂 ●化学工厂 ●发电场 ●马达制造商 ●风力发电机 ●汽车测试机 ●EV ●空调机器 ●水族馆等
在变频器控制下，无论马达的大小如何，固定子绕组的中性点电位都会变化，这会通过固定子和转子之间的静电容量产生对地轴电压。
作为预防性保养措施，从正常的润滑油膜开始形成时，通过振动分析或异音等检测到波纹之前，油膜已经形成并具有高电阻抗，因此会产生高电压并且产生急剧的电压降下（EDM放电）。
这种EDM放电每分钟可能发生数千次，每次都会形成称为EDM坑的微小坑洞，大小为数微米。
这些放电会使润滑脂变黑并燃烧，导致润滑脂劣化，铁粉浓度上升，最终使润滑脂失效。当润滑脂达到寿命时，油膜难以形成，这会导致轴承故障。不仅因为锯齿痕引起的振动增加或异音可以证明电蚀的存在，因此若有放电本身就是个大问题。
使用HIOKI暂态记录器(示波器)MR6000测量，使用Aegis®前后的EDM放电波形
无使用Aegis®的EDM放电波形
使用Aegis®后、放电消失，并向0V推移的波形