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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(fā)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(fā)生,各企業(yè)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(huán)或者扼流線圈,如果設計好的話,扼流環(huán)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(xiàn)。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(lián)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(yè)時有發(fā)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(huán)四種類型。下面介紹一下四種疏導方案的優(yōu)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(chǎn)生。

優(yōu)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(chǎn)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(yè)電機行業(yè)屬于消耗品,隔4-6個月需要更換。另外在油冷環(huán)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(fā)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(yōu)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(fā)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(chǎn)生間隙,導電就變得時斷時續(xù)。油冷環(huán)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(tài)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(yōu)勢:設計簡單;優(yōu)化改動小,成本優(yōu);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(xù)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(xù)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(chǎn)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(huán))

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(yōu)點:全壽命周期免維護,軸跳動對導電環(huán)幾乎沒有影響。

但需要注意以下幾個方面:

靜態(tài)電阻的大小

非絕緣軸承在靜態(tài)時的電阻一般在1Ω左右,安裝導電環(huán)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(wěn)定性

在油冷電機中,導電環(huán)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(chǎn)品的化學穩(wěn)定性要高,能與ATF油化學相容,否則會發(fā)生化學反應進而影響軸接地效果,甚至導致整個電驅系統(tǒng)潤滑、冷卻、絕緣失效。所以在油冷條件下使用的軸接地產(chǎn)品的化學穩(wěn)定性是需要考量的重要指標。因此,軸接地產(chǎn)品方案中不建議使用穩(wěn)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(huán)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(huán)之間形成一個絕緣層。導電環(huán)的纖維要夠硬夠挺,才能刺破這層油膜。

方案:接地導電環(huán),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(chǎn)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(huán)境下的導電性。

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