[发明专利]一种防止轴电压损害轴承的多绝缘轴承

说明书

技术领域

本发明涉及一种防止金属杂质导通轴电压损害轴承的多绝缘轴承，属于机电设备安全保护领域，适用于交流电机、特别是地铁等轨道车辆使用的交流电机之轴承防止或减少轴电压损害的保护。

背景技术

在现代电机工程领域，越来越普遍地应用交流发电和交流驱动方式。例如经典的交流电机是用工业电网的正弦交流电供电工作的，双馈式交流发电机的转子励磁绕组是用PWM方式进行交流供电的，在变频调速交流电动机中的定子是用PWM方式供给交流电压的。无论是定子或转子产生的交变磁场，都在电机的轴系两端之间引发轴电压，该轴电压通过轴两端的轴承等部位与机匣形成回路，产生轴电流，由于该回路中电阻最大的部位是轴承的内环、滚子、外环、保持架的接触点，于是引起这些部位接触点过热甚至烧损。该损坏机制导致了地铁等领域的大量的驱动电机轴承发生烧损故障，严重危及行车安全。

鉴于工程技术人员对故障机理的认识所限，此前为了防止轴电压引起的轴电流损坏轴承，通常采用两种防范方法：

其一是，在电机轴的两端加装滑环，在电机的机匣上安装电刷，使轴电流经滑环-电刷-机匣短路，防止该电流流经轴承而使轴承得到保护。但在轨道交通车辆上使用的电动机上因为空间限制等原因，安装上述电刷滑环很难实施。

其二是，采用外环外表面或内环内表面涂敷有氧化铝等绝缘层的轴承，以期依此方法切断轴电压形成的轴电流，或尽量减小轴电流，避免轴承的内环、滚子、外环、保持架的接触点在流过轴电流时过热损坏。但是问题在于，大量使用绝缘轴承的电机，仍然大量发生轴承烧损故障，与采用非绝缘轴承时的损坏几率相当、甚至更严重。

究其原因，在于采用该措施者将轴承的技术状况理想化而并没有真正洞悉在此条件下轴电压仍然产生破坏作用的机理。

当前先进的绝缘轴承，有如文献报道的SKF的绝缘轴承：“SKF进口轴承绝缘轴承分为SKF电绝缘深沟球轴承、SKF电绝缘角接触球轴承、SKF电绝缘圆柱滚子轴承、SKF带有氧化物镀层的内环或外环绝缘轴承、SKF带有电绝缘陶瓷滚动体的混合轴承。”由于绝缘陶瓷滚动体轴承存在该滚子不能抗拒冲击力的风险，所以在轨道交通等领域仅能选择“带有氧化物镀层的内环或外环绝缘轴承”。当前的绝缘轴承中没有“内环和外环绝缘轴承”。

在使用了内环（与轴配合的）内表面绝缘或外环（与机匣或轴承座配合的）外表面绝缘措施之后，只有在理想的、轴承中不存在任何导电杂质的条件下，因能截断或极大程度减少轴电压所导致的轴电流，才能使轴承得到保护。但实际情况是，外来的或轴承故障产生的金属杂质是不可避免地存在的。由于这些金属杂质在运转中使得内环内表面绝缘的轴承与轴之间发生瞬间短路时，或使得外环外表面绝缘的轴承与机匣之间发生瞬间短路时，轴电压便因上述短路而产生很大的轴电流；因为轴电压为感性电压源，在杂质造成上述短路后因烧毁或因运动而再度断开时，便产生极高的、波形前沿陡峭的反电势，足以击穿绝缘耐压不充分高的绝缘层的电容使之短路，或者使尚未击穿的绝缘层电容对于极高的、波形前沿陡峭的反电势之容抗减小到极小而形同短路，于是，杂质短路时产生的很大的轴电流，因杂质断开而转向流经轴承的内环、滚动体、外环的接触点，使该接触电阻相对很大的接触点产生高温、融化，在油脂对它迅速冷却时，接触点金相转变为高温马氏体或奥氏体，而接触点周围的材料则退火软化，继而在发生过过热的接触点周围产生裂纹、剥离。这些剥离的金属则成为轴承中继续引发上述破坏过程的内在的自生杂质因素，如此周而复始地发生连锁反应，便使得上述破坏大量发生，轴承的故障迅速扩展，导致轴承径向间隙增大，使电机转子对定子碰磨、“扫膛”、垮塌、“放炮”甚至爆炸，轴承和电机产生高温、熔融、固死。

因为技术人员此前对因杂质所致的短路轴电压、产生轴电流、产生反电势而破坏轴承的机理不明晰，以致在此前的绝缘轴承中，仅用了内环绝缘或外环绝缘措施。此前的措施，仅仅对轴电压采取了一次设防，只要杂质瞬时造成该一次设防短路，轴电流便必然通过轴承的滚动体与内、外环的接触点，故障便立即发生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种防止轴电压损害轴承的多绝缘轴承，有效地避免轴承因外来的或自生的金属杂质导通轴电压、产生轴电流，烧毁与内外环接触的滚动体接触点，从而提高该轴承及电机的安全性并延长其使用寿命。