马达轴电压的发生及轴绝缘的做法

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1、馬達軸電壓的發生及軸絕緣的做法在工業應用上，軸承損壞一直佔有馬達損壞案例中相當高的比重，而軸電流通過軸承則是造成軸承損壞的重要原因之一。除了由於馬達先天設計或製造上的緣故造成磁通不平衡，導致軸端之間產生軸電壓及軸循環電流外，近年來以變頻器驅動馬達的方式逐漸廣泛應用，也使得肇因於此種驅動方式所發生的軸對地電壓及軸電流成為伴隨而來的問題。本文即就一般馬達常見的軸電壓發生機構及軸電流防止對策做一介紹。軸電流造成的損壞轉動機械在軸與軸承間及軸承本體內須有滑脂或機油油膜存在以利軸的旋轉，此油膜對於小的軸電壓亦具有絕緣作用。當軸電壓

2、增大至超過油膜絕緣強度而未能採取適切的軸電流防止對策時，則油膜將被破壞而在軸承及軸的金屬接觸部位形成電流流通，造成電弧(arc)作用，電弧的高溫即引起金屬熔融現象。此種熔融現象，對於滑動軸承構造會在軸襯合金處呈現麻點(pitting)狀之孔蝕，或在軸上呈現刮痕狀之損傷；對於滾動軸承構造一般會在滾子及內外環軌道面分別造成彈坑狀和洗衣板條紋侵蝕痕跡(washboardeffect)，如圖1所示，此洗衣板痕跡並會使軸承發生高頻噪音。電弧作用同時會導致碳的析出使潤滑油變黑劣化，受損的金屬表面及碎屑則造成軸承的異常磨耗加劇，終致整

3、個軸承損壞。圖1發生於滾動軸承內環之洗衣板痕跡軸電壓的發生機構馬達軸電壓有數種可能的發生原因，相對於各種發生原因，其軸電流防止對策也有所不同，對於感應馬達較常發生軸電壓的原因為磁路不平衡、外在電壓作用、軸磁化效應及靜電感應等，茲就其軸電壓發生機構做一說明。(1)磁路不平衡由定部線圈所產生的磁通會通過磁阻低的定部鐵心和轉部鐵心以及磁阻高的氣隙(airgap)。磁路不平衡是指在此磁路中所含的磁阻不平衡，例如鐵心扇形片的接合處、鐵心中的通風孔、鐵心鋼片透磁率的方向性、氣隙不平衡及鐵心表面的短路狀態差異等。這些磁路不平衡會產生繞

4、軸磁通，特別是在鐵心分割數或扇形片數和極數之關係吻合某條件時會顯著呈現。如圖2所示為定部鐵心有2處分割的4極電機之磁通迴路，可分為順時針方向迴轉磁通φ1及反時針方向迴轉磁通φ2。在圖2(a)之狀態時，φ2通過鐵心分割處的氣隙部分，因磁阻不同以致較φ1為小，而產生一圍繞主軸之差磁通φ3。從(a)之狀態迴轉一極節矩(pitch)後，磁通之方向變成相反，如圖2(b)所示，此繞軸磁通之變化導致兩軸端之間產生一感應電壓，即所謂之軸電壓，其頻率為轉部迴轉頻率2倍而與電源頻率相同。轉部鐵心圖2定部鐵心有2處分割的4極電機磁通迴路又如在

5、6極電機定部鐵心有2處分割時，其磁通迴路如圖3所示，φ1與φ2相互抵銷，因此並不產生上述之繞軸磁通φ3，也不會形成軸電壓。圖3定部鐵心有2處分割的6極電機磁通迴路由上述說明可歸納出一簡易規則：「若極數為P，鐵心分割數為n，則分數2n/P之約分數的分子為奇數時會產生軸電壓，軸電壓頻率等於此約分數之分子乘以該電源頻率。」上述由極數與定部鐵心分割數匹配所引起之磁路不平衡是屬於設計及構造上的原因，其他如製造、材料及使用上的缺陷也可能引起磁路不平衡。如圖4所示，若轉部有偏心，磁通φ1及φ2通過氣隙處的距離有所差異，由於磁阻不同致φ

6、2比φ1為小，而呈現出如同定部鐵心存在一分割處的現象。又如當定部鐵心透磁率之方向性有差異時，可以看成如圖2所示定部鐵心有2處分割的情況，由前述規則可知極數為4的倍數時其軸電壓應加以留意。一般感應馬達若採用具方向性透磁率之鐵心片且其定部鐵心是以積疊方式構成時，可採取適當改變積疊方向的作業方式，以減少軸電壓之產生。其他如鼠籠型感應馬達若進行頻繁之起動或轉部堵住作業時，則轉部銅棒(rotorbar)有可能斷裂，此時由於流通於轉部銅棒的電流不平衡導致旋轉磁場各極磁通量不平衡，也會在軸端之間發生軸電壓。圖4轉部偏心時之磁通迴路(2

7、)外在電壓作用在省能源的趨勢下，以Scherbius控制器或變頻器驅動馬達的方式逐漸廣泛應用。如圖5(a)所示以Scherbius控制繞線型感應馬達時，在轉部線圈會產生漣波電壓(ripplevoltage)Vr，因靜電感應促使轉部線圈絕緣物形成的電容為Cw，軸與軸承間之油膜和軸承與軸承台間之絕緣形成的電容為Cb，圖5Scherbius及VVVF控制時所發生之軸電壓Cw則分壓Vs=VrCw+Cb即為軸與軸承間所發生的軸電壓，因Cw與Cb值通常相差不大，故Vs值相當大，往往可達數十伏特以上。圖5(b)所示為鼠籠型感應馬達以V

8、VVF變頻器進行速度控制，為了降低電源諧波造成的馬達額外損失及及人耳可感的噪音，變頻器切換頻率(switchingfrequency)或載波頻率(carrierfrequency)已較過去提高，而起動時間(turn-ontime)則減少，此種改變大幅增加了馬達電壓源的高頻分量，如同Scherbius控制時的漣波電壓V