基于碳纳米管场发射的变频电机轴承电流抑制

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1、摘要电机在工作过程中，常常轴两端存在着一定的电位差，一般称之为轴电压。一旦轴电压超过特定的阈值仍不采取相应措施，就会产生电流，即轴电流，到目前为止轴承电流问题尚未能很好地解决。在工程中，电机传动与发电系统故障的主要原因是轴承电流电腐蚀造成的轴承以及齿轮功能失效。碳纳米管是由碳原子按一定方式排列构成的石墨片层卷起而成的无缝且中空的管体。由于碳纳米管特异的能带结构，导致它量子效应非常明显。选择碳纳米管作为场发射实验研究的阴极材料，并不需要极高的电压就可以实现阴极的场发射。利用碳纳米管阈值电压低的特性，组成碳纳米管簇纤维正极，改变碳纳米管的管体

2、长度，尖端曲率半径等得到较大的场增强因子，使碳纳米管簇纤维可以在较大的空间内实现场发射，实现电机中定子转子间非接触状态下的寄生电能的释放，从而保护电机的轴承与传动部件，延长电机的工作年限。本论文首先对碳纳米管场发射的国内外学者的研究进展进行分类总结，在对碳纳米管场发射的理论研究基础之上，研究碳纳米管的冷阴极发射性质，研究碳纳米管的生长机理和碳纳米管生长过程中的取向控制，研究场发射的影响因素和改善途径。然后在此研究基础上，比较得出最合适的场发射研究方法。其次，利用现有的有限元软件COMSOL模拟仿真单根碳纳米管电场分布，它是基于设置不同长度

3、和直径的单根碳纳米管的仿真模拟，找到一定电压下能够实现场发射条件的碳纳米管。搭建碳纳米管场发射实验平台，手动调节钨针阳极和碳纳米管阴极间的距离，开展碳纳米管室温标准气压下场发射实验，并利用示波器显示碳纳米管材料的电压电流曲线。研究发现阴阳极距离40.5μm，电压值在65V时开始良好场发射。选择符合场发射条件的数据绘制场发射特性曲线。最后，利用有限元分析软件ANSYS，仿真研究平面碳纳米管阵列和平面突起结构型碳纳米管阵列的场强分布。发现碳纳米管阵列的场发射能力与场强之间存在很大的相关性，平面型冷阴极的发射电流相对于平面突起结构冷阴极而言，往

4、往可以忽略。平面突起结构型冷阴极结构着实能够增大碳纳米材料的场发射电流。关键词：碳纳米材料，场发射，有限元，轴承电流IAbstractOftendoesapotentialdifference(PD)namedshaftvoltageexistbetweenbothendsoftherollerduringtheoperationprocessoftheelectricmotor.Currentknownasshaftcurrentwillbegeneratedoncetheshaftvoltageexceedsthethresholdv

5、aluewithoutcarryingoutcorrespondingmeasures,sofar,theissueofshaftcurrenthasnotyetbeenwellsettled.Themainreasonthatcausesthefailureofmotordriveandpowergenerationsystemduringtheengineeringistheefficacylossofthebearingandgearcausedbytheerosionofshaftcurrent.Formedbytherollin

6、gofgraphiteflake,whichiscomposedbythecarbonatominacertainwayofarrangement,thecarbonnanotube(CNT)isaseamlessandcenterhollowtube.Duetoitsspecialenergybandstructure,thequantumeffectofCNTisextremelyobvious.ByselectingtheCNTasthecathodematerialforexperimentalstudyoffieldemissi

7、on,therealizationofcathodefieldemissiondoesnotrequireanextremelyhighvoltage.BytakingadvantagesofthelowthresholdvoltagecharacteristicofCNT,formingaCNTclusteranode,andchangingthetubelength,radiusoftipcurvatureofCNT,arelativelyhighfieldenhancementfactorwasobtained,whichenabl

8、edthefieldemissionoftheCNTclusterfiberinarelativelylargespaceandrealizedtheparasiticelectricener