※本文為與日本福田交易株式會社合作之解決方案，其他海外國家若有需求可尋找本地軸承製造商之類似產品進行替代。或是尋求當地代理商購買福田交易株式會社之產品。

變頻器馬達在原理上會產生軸電壓（共模電壓），並且這會在軸承中釋放。當在釋放時電流通過軸承時，會產生火花，導致軌道表面熔化，形成微小坑洞或微小凹坑的損傷。
如果忽略這種現象（電蝕），將導致軸承發出異音並增加振動，進而降低壽命。
在本應用案例中，將介紹使用HIOKI 暫態紀錄器(示波器) MR6000進行軸電壓測量的方法，以及對策產品，如將軸電流繞過或絕緣以防止電流流入軸承。

主要對象

・馬達製造商

・變頻器製造商

・e-Axle（EV驅動馬達系統）製造商

・軸承製造等的設計．開發．品質檢驗

市場動向

變頻器馬達的驅動電壓每年都在增加，甚至在電動汽車（EV）中也出現了800V的驅動系統。當高電壓作用於馬達時，易產生導致電蝕的軸電流。
特別是在EV中，由於包括e-Axle等多個軸承在內的馬達和變速器包裝在一起，因此電蝕的風險更大。為了延長馬達壽命並預防軸承損壞，設計品質變得越來越重要。

因軸電壓放電導致的電蝕為何?

因為變頻器驅動馬達使用脈衝寬度調製（PWM）進行控制，所以會通過定子和轉子之間的靜電容量，在馬達軸上產生共模電壓。當電壓達到導致潤滑脂絕緣損壞的水平時，會反覆發生放電，進而導致潤滑劣化和軸承損壞（放電時的EDM=Electrical Discharge Machining 導致坑洞形成和熔化金屬成分導致磨損），縮短馬達壽命。

 

使用暫態記錄器( 示波器)MR6000 進行軸電壓測量

接下來，介紹測量導致電蝕的軸電壓放電波形的方法。為了測量旋轉中的馬達軸的電壓，需要使用專用的軸電壓探棒。如果測量結果顯示放電頻繁，則需要採取措施預防潤滑劑劣化和軸承損壞。

使用馬達臺進行軸電壓測量

・使用設備：暫態記錄儀（示波器）MR6000、高速類比模組U8976、Aegis® 軸電壓探棒PP 510

・測量方法：將軸電壓探棒的前端接觸到馬達的轉軸上，並將其輸出輸入到MR6000 中。

・記錄條件：取樣速度100 MS/s，記錄點100 M 點（記錄點應根據所需的記錄時間進行設置）。

使用暫態記錄器( 示波器)MR6000，有效測量多處的軸承

普及中的e-Axle驅動系統，由於馬達、變頻器和減速機是一體化設計，因此在多處使用了軸承。因此，為了全面測量封裝e-Axle驅動系統中的軸電壓影響，多通道同時測量是有效的。由於變頻器的PWM電壓和電流，以及驅動馬達產生的軸電壓可能通過齒輪對其他軸承造成電蝕，多通道測量能有效解析這些相關性，而MR6000正是實現這一目標的有效工具。

MR6000 和高速類比模組U8976、軸電壓探棒的組合使用，可以多通道測量: 馬達的軸電壓、變頻器的PWM 電壓、解角器訊號的測量範例。

取樣速度100 MS/s、Point數100 MPoint、軸電壓（黃）、PWM電壓（紫）、訊號的勵磁（藍）、cos（粉）、sin（綠）的實測波形範例

旋轉角度（橙）為顯示波形演算處理後的結果（限定於區間游標間）

軸電壓測量的組合例

HIOKI暫態記錄器(示波器)MR6000和高速電壓模組U8976 、軸電壓測量用刷型探棒（其他公司製造）的組合使用，可以測量馬達的軸電壓
波形。MR6000主機最多可安裝U8976共8個，最多16 ch的同時測量。

 

解決方案

馬達軸電壓測量的結果發現放電非常頻繁的話，請遵循以下方法防止潤滑脂的劣化或是軸承損傷。

・不讓馬達內部軸承發生軸電壓，進行軸接地（適當的高頻接地、軸接地）

・輸出為75 kW以上的馬達時，進行反負載側的絕緣軸承等零件之軸絕緣

零件使用循環解決方案

機械或設備在運行或保管過程中，會因磨損、劣化、疲勞等因素，最終出現故障。右邊的P-F曲線概念圖說明了檢測故障的狀態監控技術。至今為止，已經提出了振動分析、聽診、溫度測量等各種狀態監控技術，並發揮了重要作用。然而，多數情況下，這些檢測技術在發現到異常時，已經出現了振動、異音、發熱等損傷或劣化的跡象。
軸承故障的主要原因多與潤滑品質有關。沒有振動和異音的“正常機械”中，理想的油膜形成，軸承的油膜阻抗較高，這往往導致從高電壓到急劇電壓下降（放電）的現象，表明潤滑劣化已經開始。

降低故障發生頻率並能更早檢測異常，對於機械和設備來說是非常理想的。通過確定並監控故障的根本原因，並去除這些原因，是設備運行優化的關鍵。
因此，對軸電壓進行狀態監控的預知保全有助於早期採取對策，最終最大化設備的正常運行時間，並將突發停機的損失降至最低。

 

維護輕鬆且能去除軸電壓 「Aegis®接地環」

由 Electro Static Technology（ITW Group） 開發的 Aegis® SGR/Aegis® PRO 系列軸接地裝置，利用導電性微纖維，
迄今已在全球範圍內保護了眾多電機馬達，防止了電蝕和射頻干擾的影響。

【日本國內採用實際案例場所】
●造紙廠　●鋼鐵廠　●化學工廠　●發電場　●馬達製造商　●風力發電機　●汽車測試機　●EV　●空調機器　●水族館等

在變頻器控制下，無論馬達的大小如何，固定子繞組的中性點電位都會變化，這會通過固定子和轉子之間的靜電容量產生對地軸電壓。
作為預防性保養措施，從正常的潤滑油膜開始形成時，通過振動分析或異音等檢測到波紋之前，油膜已經形成並具有高電阻抗，因此會產生高電壓並且產生急劇的電壓降下（EDM放電）。

這種EDM放電每分鐘可能發生數千次，每次都會形成稱為EDM坑的微小坑洞，大小為數微米。
這些放電會使潤滑脂變黑並燃燒，導致潤滑脂劣化，鐵粉濃度上升，最終使潤滑脂失效。當潤滑脂達到壽命時，油膜難以形成，這會導致軸承故障。不僅因為鋸齒痕引起的振動增加或異音可以證明電蝕的存在，因此若有放電本身就是一個大問題。

使用HIOKI 暫態記錄器(示波器)MR6000測量，使用Aegis®前後的EDM放電波形

注意事項

※本文為與日本福田交易株式會社合作之解決方案，其他海外國家若有需求可尋找本地軸承製造商類次產品進行替代。或是尋求當地代理商購買福田交易株式會社之產品。
 

EV驅動馬達的電蝕評估方法以及保護軸承免受軸電流影響的Aegis®接地環介紹.pdf (3.25M) file_download