基于碳纳米管场发射的电机轴承电流抑制实验研究

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1、摘要共模电能存储于寄生阻抗中，电力电子驱动电路中零序回路所产生的高频共模信号会在设备中激发寄生阻抗，而旋转机械中的寄生电能却毫无规律地释放在定转子之间，这便引起了轴承等传动部件形成电离热腐蚀，轴承电流电腐蚀造成的轴承及传动机械部件失效已经成为电机传动与发电系统故障的主要原因之一。碳纳米管是一种准一维纳米材料，化学性质稳定且不易与其他物质发生反应，其重量轻且六边形结构完美连接，再加上其机械强度高、韧性好等结构特点和优越的电学性能，表现出优良的场发射性能。为了降低发射场强，采用多股碳纳米管纤维形成一种簇形结构的电能发射电极。碳纳米管端部尖端效应，形成较低的开启电压，实现大

2、距离、无机械接触的空间电能传输条件，使轴承油隙两端被该电极在空间上电气旁路短接，消除两个相对运动的机械部件之间的寄生电能。基于碳纳米管纤维场致电能发射的机理研究及探索，将有可能建立一种新的空间电能传输方式（一种无线传输方式）的基础理论和试验研究方法，具有重要的理论意义和工程应用远景。本文首先介绍了电子发射的分类，着重介绍了金属场致电子发射理论和影响性能的因素。基于Fowler-Nordheim理论改进了碳纳米管场发射的F-N模型，结合发射体的品质参量，给出碳纳米管等效计算模型。在此基础之上，论证了碳纳米管的场发射机制与电场增强效应。其次，基于第二章的碳纳米管的等效计算

3、模型，在CST软件中对单根碳纳米管就不同长径比和距离的影响进行仿真模拟，分别得出对碳纳米管尖端电势分布密度、场发射效应和电流密度的影响。同时，搭建碳纳米管场发射实验平台，对TNF300型号碳纳米管进行非真空条件下的场发射实验，得出不同距离下的碳纳米材料的电压电流值。对数据进行处理之后绘制场发射特性曲线，并对不同距离下的结果进行对比分析。最后，介绍了碳纳米管阵列，并给出碳纳米管纤维电极的示意图。类比了二极与三极场发射结构的优缺点，初步建立碳纳米管阵列场发射的三极结构模型，并着重对栅网网孔进行了优化，得到阳极获得最大的场致发射电流时，栅网尺寸存在的最佳的峰值关系。通过设计

4、阴栅极保护电路，仿真得出栅极电压对发射电流的影响。关键词：轴承电流，碳纳米管，F-N公式，场发射，电流密度IAbstractHighfrequencycommonmodesignal,producedbythezero-sequencecircuitofpowerelectronicdrivecircuit,willstimulatetheparasiticimpedanceintheequipment,whichwillstoreelectriccommonmodeenergy.However,theparasiticpowerswillarbitraryrelea

5、seinstatorandrotoroftherotatingmachinery,whichcanleadslidinginterfaceofbearingandgeartoionizationthermalcorrosion.Andbearingelectricalcorrosioncausedbybearingfailurehasbecomeoneoftheprimereasonsformotordriveandgenerationsystemfailure.Asaquasi-one-dimensionalnanomaterial,thecarbonnanotub

6、esarechemicallystable,difficulttoreactwithothersubstances,lightweightandthehexagonalstructureisperfectlyconnected.Coupledwithitsstructuralfeatures,suchashighmechanicalstrengthandgoodtoughness,andexcellentelectricalproperties,itshowsgoodfieldemissionperformance.Inordertoreducetheintensit

7、yoftheemissionfield,severalcarbonnanotubefiberswasusedtoformaclusterofelectricenergyemittingelectrodes.Thetipeffectoftheendofcarbonnanotubeshasalowopeningvoltage,whichrealizesthespacepowertransmissionconditionoflargedistanceandnon-mechanicalcontact.Itwillresultsinthetwoendsofth