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轴承电腐蚀解决方案

轴承为什么会产生电腐蚀？如何有效解决轴承电腐蚀问题？

变频驱动

——

变频驱动（VFD）技术自 20 世纪 60 年代推出后，在过去 50 年中取得了长足的进步。因为其先进性和节能表现，现已广泛地应用于各行业的电力驱动场合，但是它也为电驱系统带来了诸多挑战，其中最常见的问题包括高频脉冲电压对电机绝缘结构的挑战，以及由共模电压引起的轴电压造成的轴承电腐蚀问题。

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轴承电腐蚀解决方案

变频驱动

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变频驱动（VFD）技术自 20 世纪 60 年代推出后，在过去 50 年中取得了长足的进步。因为其先进性和节能表现，现已广泛地应用于各行业的电力驱动场合，但是它也为电驱系统带来了诸多挑战，其中最常见的问题包括高频脉冲电压对电机绝缘结构的挑战，以及由共模电压引起的轴电压造成的轴承电腐蚀问题。

共模电压

——

轴承电流

——

变频器为电机提供了永不平衡的三相电压，所以变频电机始终存在一定的共模电压。该高频共模电压通过定子绕组和转子之间的寄生电容耦合到转子。这种高频电压可能导致共模电流过大。而电机和大地之间存在的各种杂散电容可能允许电流流经转子、轴和轴承达到共地。新一代基于碳化硅（SiC）的变频器，开关频率更高，往往会增加共模电压和电流，给驱动系统带来更大的挑战。

在使用润滑轴承的电机中，在轴承的滚珠和滚道之间用一层薄薄的润滑油膜支撑转子。制造异常、运转的不平衡和异常操作等会导致振动升高，并导致滚珠和滚道接触发生阻性放电，电流流经轴承。同时在共模电压较高时也可击穿绝缘油膜，发生容性击穿放电，放电电流流经轴承。这两种放电都会损伤滚道并侵蚀轴承的滚动体，长期存在的放电电流会导致轴承产生沟槽或凹槽，从而缩短轴承寿命。

1. 轴承电腐蚀产生的原因

轴承电腐蚀解决方案

轴承为什么会产生电腐蚀？如何有效解决轴承电腐蚀问题？

变频驱动

——

变频驱动（VFD）技术自 20 世纪 60 年代推出后，在过去 50 年中取得了长足的进步。因为其先进性和节能表现，现已广泛地应用于各行业的电力驱动场合，但是它也为电驱系统带来了诸多挑战，其中最常见的问题包括高频脉冲电压对电机绝缘结构的挑战，以及由共模电压引起的轴电压造成的轴承电腐蚀问题。

共模电压

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轴承电流

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变频器为电机提供了永不平衡的三相电压，所以变频电机始终存在一定的共模电压。该高频共模电压通过定子绕组和转子之间的寄生电容耦合到转子。这种高频电压可能导致共模电流过大。而电机和大地之间存在的各种杂散电容可能允许电流流经转子、轴和轴承达到共地。新一代基于碳化硅（SiC）的变频器，开关频率更高，往往会增加共模电压和电流，给驱动系统带来更大的挑战。

在使用润滑轴承的电机中，在轴承的滚珠和滚道之间用一层薄薄的润滑油膜支撑转子。制造异常、运转的不平衡和异常操作等会导致振动升高，并导致滚珠和滚道接触发生阻性放电，电流流经轴承。同时在共模电压较高时也可击穿绝缘油膜，发生容性击穿放电，放电电流流经轴承。这两种放电都会损伤滚道并侵蚀轴承的滚动体，长期存在的放电电流会导致轴承产生沟槽或凹槽，从而缩短轴承寿命。

1. 轴承电腐蚀产生的原因

2. 轴承电腐蚀解决方案对比

轴承电腐蚀解决方案

轴承为什么会产生电腐蚀？如何有效解决轴承电腐蚀问题？

变频驱动

——

变频驱动（VFD）技术自 20 世纪 60 年代推出后，在过去 50 年中取得了长足的进步。因为其先进性和节能表现，现已广泛地应用于各行业的电力驱动场合，但是它也为电驱系统带来了诸多挑战，其中最常见的问题包括高频脉冲电压对电机绝缘结构的挑战，以及由共模电压引起的轴电压造成的轴承电腐蚀问题。

共模电压

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轴承电流

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变频器为电机提供了永不平衡的三相电压，所以变频电机始终存在一定的共模电压。该高频共模电压通过定子绕组和转子之间的寄生电容耦合到转子。这种高频电压可能导致共模电流过大。而电机和大地之间存在的各种杂散电容可能允许电流流经转子、轴和轴承达到共地。新一代基于碳化硅（SiC）的变频器，开关频率更高，往往会增加共模电压和电流，给驱动系统带来更大的挑战。

在使用润滑轴承的电机中，在轴承的滚珠和滚道之间用一层薄薄的润滑油膜支撑转子。制造异常、运转的不平衡和异常操作等会导致振动升高，并导致滚珠和滚道接触发生阻性放电，电流流经轴承。同时在共模电压较高时也可击穿绝缘油膜，发生容性击穿放电，放电电流流经轴承。这两种放电都会损伤滚道并侵蚀轴承的滚动体，长期存在的放电电流会导致轴承产生沟槽或凹槽，从而缩短轴承寿命。

1. 轴承电腐蚀产生的原因

2. 轴承电腐蚀解决方案对比

轴承防护措施		优点	缺点
疏导	导电油封	无需额外安装操作和空间	阻抗偏高渗油后导电效果大幅降低短期摩擦后变间隙配合，失去导电性
	导电碳棒	成本低	无法解决高频电流趋肤效应与轴面局部接触浸油条件下寿命大幅缩短压力弹簧长期受热后弹力衰减，需定期更换高震动条件下，碳棒弹跳
	VGR高导电纤维接地环	结构多样，适用性广有效解决高频电流趋肤效应接触面充分长寿命、免维护
阻断	绝缘轴承	可有效阻断轴两端循环电流	高成本装配要求高只能转移问题，无法彻底解决系统的问题（例如：轴电压会从齿轮箱处释放）
扼制	共模磁环	可改善系统EMI表现	需要较大安装空间装机成本高轴电压降低非常有限，无法消除轴承击穿放电风险

轴承电腐蚀解决方案

轴承为什么会产生电腐蚀？如何有效解决轴承电腐蚀问题？

变频驱动

——

变频驱动（VFD）技术自 20 世纪 60 年代推出后，在过去 50 年中取得了长足的进步。因为其先进性和节能表现，现已广泛地应用于各行业的电力驱动场合，但是它也为电驱系统带来了诸多挑战，其中最常见的问题包括高频脉冲电压对电机绝缘结构的挑战，以及由共模电压引起的轴电压造成的轴承电腐蚀问题。

共模电压

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轴承电流

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变频器为电机提供了永不平衡的三相电压，所以变频电机始终存在一定的共模电压。该高频共模电压通过定子绕组和转子之间的寄生电容耦合到转子。这种高频电压可能导致共模电流过大。而电机和大地之间存在的各种杂散电容可能允许电流流经转子、轴和轴承达到共地。新一代基于碳化硅（SiC）的变频器，开关频率更高，往往会增加共模电压和电流，给驱动系统带来更大的挑战。

在使用润滑轴承的电机中，在轴承的滚珠和滚道之间用一层薄薄的润滑油膜支撑转子。制造异常、运转的不平衡和异常操作等会导致振动升高，并导致滚珠和滚道接触发生阻性放电，电流流经轴承。同时在共模电压较高时也可击穿绝缘油膜，发生容性击穿放电，放电电流流经轴承。这两种放电都会损伤滚道并侵蚀轴承的滚动体，长期存在的放电电流会导致轴承产生沟槽或凹槽，从而缩短轴承寿命。

1. 轴承电腐蚀产生的原因

2. 轴承电腐蚀解决方案对比

轴承防护措施		优点	缺点
疏导	导电油封	无需额外安装操作和空间	阻抗偏高渗油后导电效果大幅降低短期摩擦后变间隙配合，失去导电性
	导电碳棒	成本低	无法解决高频电流趋肤效应与轴面局部接触浸油条件下寿命大幅缩短压力弹簧长期受热后弹力衰减，需定期更换高震动条件下，碳棒弹跳
	VGR高导电纤维接地环	结构多样，适用性广有效解决高频电流趋肤效应接触面充分长寿命、免维护
阻断	绝缘轴承	可有效阻断轴两端循环电流	高成本装配要求高只能转移问题，无法彻底解决系统的问题（例如：轴电压会从齿轮箱处释放）
扼制	共模磁环	可改善系统EMI表现	需要较大安装空间装机成本高轴电压降低非常有限，无法消除轴承击穿放电风险

Complete solutions for bearing electrical corrsion issue

Why the bearing electrical crossion happens, and how to resolve it ?

VFD (Variable Frequency Drive)

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Many industries use variable frequency drives (VFDs) with induction motors. Introduced in the 1960s, VFD technology has advanced considerably during the past 50 years. However, it also brings chanllenges, such as the tough chanllege to the motor insulation system with its pulse surge voltages, also the shaft voltage which is caused by the common mode voltage and can result in bearing crossion failures

CMV (Common Mode Voltage)

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Bearing Current

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The VFD inverter supplies unbalanced three-phase voltage to the motor. Common-mode voltages are coupled to the rotor through parasitic capacitances between the stator winding and rotor. This high-frequency voltage may result in excessive common-mode currents. Existing stray capacitances between the motor and ground may allow current to flow to the ground, passing through the rotor, shaft and bearings and reaching the grounded end shield. The higher switching frequencies in the latest drives such as the SiC, tend to increase common-mode voltages and currents.

In a typical greased-bearing motor, the bearings support the rotor with a thin film of grease between the balls and outer race. The rotor and grounded outer bearing race theoretically have no contact at operating speed. This is not actually the case. Residual imbalance and off-design operation result in elevated vibration that breaks down the grease. Discharge current then flows through the bearings.The capacitive discharge component is the current that circulates whenever the grease film is momentarily broken down. Both these electric discharges wear the raceways and erode the rolling elements of the bearings. Long-term flowing discharge currents result in furrows or fluting, reducing bearing life.

1. Causes for the bearing electrical crossion issue

2. Comparison of the candidate solutions

Actions		Advantages	Disadvantages
Suppression	Conductive Bearing Seal	No additional space required	Relatively higher impedance Reduced conductivity when there's oil penetration
	Carbon Brushes	Low cost	Not workable for the high frequency Skin effect Limited touch with the shaft surface Reduced lifetime under oil conditions The pressure springs may loose pressure after long time usage and requires replacement Sparking when there's high vibrations.
	MPT Grounding Ring	Dynamic designs to fit different requirements Highly effective to overcome the high frequency skin effect. Adequate touch with the shaft Longer life with no maintenance
Blocking	Insulative Bearings	Good to stop the circulating current between two shaft ends.	Higher cost Difficult to install Can only transfer the problem, not resolve the issue ( e.g. transfer to the gear box part)
Grounding	Common Mode Chokes	Helpful to improve the EMI performance	Requires more space Higher cost Very limited reduction of the shaft voltage.