防爆电机轴电压引起的轴承电容或放电能量的计算简介

防爆电机轴电压引起轴承电容或放电能量的计算简介
在IEC 60079-0:2017版的17.3 bearings和附录H (Shaft voltages resulting in motor bearingor shaft brush sparking Discharge energy calculation)中,介绍了电机转轴上感应产生的电压引起放电的危害及电流、电容的计算方法。但是由于标准篇幅有限,只描述了计算方法,而对相关背景知识没有过多介绍,导致不熟悉电机的人员在看到这个条款时很茫然,无从下手。
实际电机轴电流的问题在感应电机产生之初就已经引起相关人员的注意,但这些研究主要集中在轴电流对轴承寿命的影响。如JayErdman, Russel J. Kerkman等人就在《Effect of PWM Inverterson AC Motor Bearing Currents and Shaft Voltages》中详细研究了电机轴电流的产生原理、测量方法、消除手段等,IEC60079-0:2017标准中也引用了这一文章。
但是在防爆安全领域,轴电压引起的危害还是首次写入标准中。
在感应电机中,由于定子绕组的电磁感应作用,对电机转子上的导体产生电磁力使转子旋转。但实际情况下,不平衡的定子绕组电磁场也会在转轴上产生感应的电压,这个电压一般较小,不足以击穿轴承的绝缘,对轴承寿命无显著影响。
随着电机及驱动技术的发展,电机功率越来越大,变频驱动技术引起的高频谐波等,导致转轴上感应的轴电压越来越大,产生的危害越来越显著,表现在机械部件上,当轴电压过大击穿轴承绝缘时,由于轴承上接触面积小,放电电流融化接触点金属,破坏轴承表面质量,加速轴承损坏。这种损坏通常表现为轴承滚道上搓板状的磨损;表现在电路上,电机轴、轴承的绝缘击穿,引起杂散电流放电,可能点燃环境中的可燃物质,引起爆炸事故。
由于轴电流引起损坏的轴承上搓板状磨损
目前,针对轴电流危害主要的预防措施包括:采用绝缘轴承、对轴承和轴采取绝缘措施、加强接地、增加滤波。但未考虑杂散电流的点燃危险。
在IEC60079-0:2017的附录H中,介绍了轴电压引起的轴承放电的评价要求和放电能量的计算方法。
巴塞尔委员会>受弯
首先,对于那些轴承被防爆措施保护的电机,如隔爆外壳型或正压型电机,由于轴承安装在保护型式内,即使轴承放电,由于点燃能量仅引起外壳内部的点燃(隔爆型)或者轴承与爆炸性环境不接触(正压外壳型),而无法点燃周围环境,可以不考虑这一危害。但是对轴承无防爆措施保护的设备,如安装在隔爆外壳或正压外壳的外部、增安型电机,就需要考虑轴电压的放电危害了。
质粒构建
轴承在隔爆外壳内部
轴承在隔爆外壳外部
放电能量的计算
由于电机可以看作是机座(frame)、转子(rotor)、定子(stator)、轴承(bearing)等导体组合而成,在其配合处存在一定的间隙,因此可以看作是一系列电容组合而成的一个电路。其中在机座与定子、定子与转子、转子与轴承盖(下图未体现)、轴承内部等都可以视为电容。
电机的电容等效模型
这些电容根据结构可以分为两类,圆柱形电容、轴承电容。其中定子与转子、滑动轴承等都可以视为圆柱形电容;球轴承、滚子轴承为轴承电容。
圆柱形轴承的结构为:圆柱形的导体被圆筒形导电包围,之间有一定的间隙,金属表面有润滑油脂,相当于将平板形电容弯曲成筒形。其电容计算公式为:
bbc全景其中:
ε0为空气的介电常数(F/m,通常用8.85*10-12聚甲基丙烯酸丁酯);
ε为导体间其它物质的介电常数(F/m,对润滑油脂,通常用18*10-12~25*10-12;需要注意的是,通常材料的参数给的是相对介电常数,需要换算成实际介电常数计算);
l为圆柱面的长度(m);
a为外直径(m,应当为轴或转子的外直径);
关于发展社会事业和改善民生的几个问题b为内直径(m,应当为轴承套或定子的内直径。)
圆柱形电容计算尺寸位置
轴承形电容结构为轴承内外套之间有轴承滚珠或滚针,滚珠滚针与内外套之间有微小的径向游隙,一般为几十μm,金属之间有一层薄的润滑油脂形成的膜,厚度通常为50Å(1Å=10-10m),单个滚珠形成的电容包含两个串联的各滚珠滚针之间形成并联的电容。

本文发布于:2024-09-23 07:21:03,感谢您对本站的认可!

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