和骋科技黄双意:800V高压电机的轴电压问题及轴承电腐蚀解决方案

NE时代新能源

阅读 2521    更新于2022-09-30 13:31:00

2022年9月21-22日,由NE时代主办,巨力自动化总冠名,巨一动力、中车时代电气、华域电动、上海电驱动战略合作,华为数字能源、智新科技生态合作的“2022(第二届)全球xEV驱动系统技术暨产业大会”在上海嘉定圆满召开。

在22日的分论坛上,和骋新材料科技(上海)有限公司副总黄双意分享的是800V高压电机的轴电压问题及轴承电腐蚀解决方案。800V高压电机的轴电流问题一直是行业痛点和难点,和骋科技从电腐蚀原理、轴电压测试方法、轴承电腐蚀解决方案等多方面进行了详细研究。

以下为现场实录:

和骋科技成立于2013年,从成立初始就专注于轴承电腐蚀方面的研究。最开始代理国外相关产品,直到2019年成功开发了自己的知识产权产品——护承核®高导电纤维接地环。并于2020年开始成功批量装机于新能源汽车商用车。今年在乘用车领域批量装机于多款明星车型。

轴电压它是因为什么问题产生的?

轴电压或轴电流不是一个新问题,当变频器用于驱动电机那天就有了,这个问题在工业、风力发电、轨道交通等领域非常普遍。汽车电机前几年为什么没有出现轴承电腐蚀问题?因为过去的新能源汽车电压平台、转速、电机功率都比较低。然而近几年,汽车电驱系统的四高化发展(高压、高功率、高频、高转速)双向压缩了轴承油膜的耐电腐蚀生存空间:更高的电压平台抬升了轴电压,更大的功率使感应能量更多,高开关频率则使得油膜受攻击频率更高,另外为适应高转速而变低的润滑油/脂的粘度则使油膜厚度更薄,承受能力变得更差。所以这两年突出性的爆发了轴承电腐蚀问题, 如不采取合理的防护措施在800V电驱平台更是会成为必然的问题,它会造成轴承滚珠和滚道有不平整的表面,造成电机轴承异响,现在几乎每个车厂都面临这个挑战。

典型的轴电压形态

高的dv/dt,di/dt特性的共模电压会借助电机中的杂散电容在电机轴上感应出轴电压。

轴电压有几种典型的放电波形。当运行工况比较好,电机转速比较均匀,油膜达到一定的厚度能够承担轴承上的电压,这个时候轴承受到了油膜的保护,没有被击穿,呈现出完整的共模电压波形。但是由于汽车的工况比较复杂,所以这个情况不会太持续。即使电压不足以把油膜击穿,但油膜内部仍然会发生局部放电,慢慢腐蚀油脂,时间长了就会有降解的过程。

最右边的是容性击穿放电的波形。油膜的厚度和强度不足以承受共模电压在轴承上的分量,它就会被击穿,击穿的瞬间会产生大电流,不仅会对轴承带来损害,还会对电子元器件产生干扰,所以电腐蚀问题和EMI问题是共生的。

无论阻性放电还是容性击穿放电,对轴承都有比较大的伤害 。阻性放电只是把瞬间容性击穿放电变成了细水长流式的电阻导通式放电,同样有伤害,只是需要一定的时间和里程累积才能表现出负面效应;如果是容性击穿放电,攻击力更强,其瞬间温度很高,会造成表面金属飞溅。

轴电压多少是安全的?

没有答案。NEMA MG1 Part 31.4.4.3 曾经定义20VP-P以上轴电压有较高的击穿放电风险,这是针对传统工业电机,现行标准已经没有相关描述。随着电机技术的持续发展,转速越来越高,相应的轴承润滑油的粘度也较过去大幅度下降,运行时油膜厚度大幅减薄,因此轴电压承载能力越来越弱。部分高速电机甚至10VP-P以下的轴电压,轴承仍有油膜击穿放电的风险。汽车电机相较工业电机运行工况更加复杂多变,油膜状态更加不稳定。

因此, 很难给出绝对的安全电压。

轴承电腐蚀问题解决思路

通常我们解决轴承电腐蚀问题的思路有三种。一个是限制,不让它造成更大的影响;第二是做隔离,就像新冠一样,做阻断;第三,做疏导,把危害能量导到大地。当然,也可以是几种方式的组合。

这些措施也有各自的优点和缺点。

限制,做扼流处理,通常来说是放共模磁环。通过电路模拟,将谐波能量屏蔽掉。这对改善系统EMI表现会有一定的帮助,但对降低因为共模电压引起的轴承电腐蚀没有太大帮助。有客户用了共模磁环,过滤了谐波部分引起的电压,把轴电压从25伏降到19伏左右。但19伏还是非常危险的一个数值。另外这种方式通常需要比较大的安装空间,对寸土寸金的汽车电机来说比较难以实现。

阻断最简单的方式就是做绝缘。轴承是因为受到轴承电流损害,换成绝缘轴承,这个部分就不会有电腐蚀了。但该方式只能解决自身的问题,不能解决系统的问题。感应源头还在,轴电压还在。如果电机前端后端都用绝缘轴承,那电压就会在齿轮箱释放,这样会造成齿面的腐蚀。这个在风力发电、轨道交通行业非常普遍。汽车行业也有部分客户反映在齿面上发现电腐蚀现象。

既然是危害能量,所以最好还是能泄导掉,堵不如疏。关于疏导方式的研究比较多,八仙过海各显神通。

导电碳刷在工业领域用得非常广,包括大型的水力发电机、火力发电机。它对导通低频电流非常有效,但电刷是一个单一导体,有效导电面积不高,无法解决高频电流趋肤效应。。另外,碳刷是用碳粉跟金属粉末压制而成,在浸油环境下会疏松,更容易磨损。通常工业电机领域4-12个月要更换一次。另外碳刷在高震动条件下比较容易脆断。碳刷还需要借助弹簧压在轴的端部,弹簧本身是易耗件,运行的时候相当于一直在受热处理,弹性会逐步减低,碳刷只要产生弹跳就会产生放电,这个时候会加速轴承损害。

导电油封,通过掺杂一些导电粉末,或者在表面镀银来实现导电。这种材质耐磨性差,短期摩擦后变间隙配合,失去导电性,尤其是油冷环境,油渗进去以后阻抗会变得大,导电效果会变差。这也是为什么很多客户反映说,用了初始感觉很好,一段时间以后就不行了。

也有客户或厂商在使用导电轴承,一般用法有两种。一种是作为工作轴承,将电机前端或后端的轴承换成导电轴承。普通轴承只有在低转速区间里有阻性放电,高转速期间是间歇的容性击穿放电。但导电轴承作为工作轴承以后全时段都在放电,工作几万公里以后容易出现电腐蚀问题,产生磨砂面。另外一种是作为非工作的牺牲轴承,不用承担扭矩,是额外装的与工作轴承并联的导电路径。牺牲轴承在牺牲的时候也会产生异响,其牺牲的时间是很难控制的,不能保证是不是在车辆全寿命周期后或是质保期满后发生问题,因此售后成本不可控。

和骋的解决方案——护承核®高导电纤维接地环/棒。纤维接地跟转轴之间的摩擦力非常小,保证充分与轴面接触。另外纤维非常耐磨,寿命长。和骋做过试验,纤维和转轴之间摩擦28万公里,纤维只磨了0.4mm,可以做到汽车全生命周期的有效使用。另外,即使在有油的环境条件下,护承核®也可以正常导电。

护承核®上每一束纤维有12000根,金属外壳里边装配导电纤维,保证了它的高导电性。有些厂商用国外的纯碳纤维的导电环。碳纤维阻抗比较高,纤维跟轴面接触的电阻更大,所以如果用纯碳纤维做导电路径,尤其低转速区间,滚珠滚道之间有接触的可能,滚珠滚道都是金属,接触的时候电阻不高,如果并联的保护电路的阻抗比它还高,也是起不到分流效果的。护承核®跟纯碳纤维有明显区别,我们是高导电金属改性的碳纤维。高频电流有比较大的趋肤效应,高导电金属分布在外层圆周,所以导电效果非常好。另外护承核®不含有任何有机物,是纯无机物,所以耐受环境非常好,无论高低温还是耐化学腐蚀等方面,都有非常好的效果。

护承核®产品结构形式多样。有压装的、螺栓安装的、导电棒式的(伸到轴承里面,通过与轴承内壁接触,把电泄导掉)。尺寸也可以定制。如果轴承很大,比如风力发电,可以做成分段式的。

目前,我们已经形成了系列化产品矩阵,有风冷/水冷和油冷两个系列。差别主要在纤维的长短以及和轴面的接触过盈量。油冷用的纤维束会稍微短一些,风冷或水冷用的纤维长一些。水冷/风冷的纤维和轴是干摩擦,摩擦系数高,会加大纤维磨损量;油冷条件下,因为油具有润滑性,所以磨损慢一点,但绝缘油膜随着转轴高速旋转,有一定的粘性和附着性,容易把纤维带起来。较短的纤维设计就比较硬、挺,能有效刺破油膜,跟轴实现良好的接触。

轴电压降低效果主要是看放电的两种形式:低转速区间的阻性放电和容性的击穿放电。阻性放电考虑的是并联保护阻抗比轴承的阻抗要低。和骋测了不同转速、不同频率条件下轴承和并联保护的阻抗对比。不装导电环,在500转或静态的时候,轴承的阻抗范围从十几个欧姆到三十几个欧姆;转速高了以后有几万欧姆。安装导电环以后只有几欧姆,最高也只有四五欧姆。大家回去拿自己的汽车电机测是很难测到准确的阻抗,因为测试电源或测试工具很容易被轴电压干扰,测到的数据会失真。我们为了避免轴电压干扰,用了非常小功率的工频电机做测试,里面没有轴电压。

我们以实际应用案例讲一下我们产品的轴电压降低效果。2020年,护承核®开始批量装机在新能源商用车里。400V/150kW的驱动电机,当时轴承放电电压是15.2V,装了护承核®以后,轴电压被降低到只有2V,这样就有比较大的一个安全区间,就不会产生放电了。

还有一个新势力的车型,2020年上市,在2021年年底出现了比较多的轴承电腐蚀问题,客户投诉轴承、电机异响。起初考虑的方案是安装导电油封,但不到一周就失效了。电机在初始设计的时候没有考虑过这些问题,没有安装空间。经过和骋技术团队的反复验证,将环状改制成棒的形式,伸到转轴空心腔体内,与内壁接触把电导掉。轴电压由20多伏降到5V以下。

另外一个新势力品牌,初始测的轴电压只有5-6V。或许有人认为5V是比较安全的。但是,如果是放电波形,电压越低说明放电阈值越低,油膜非常薄,承受不住更高的电压,实际是更危险的。用了护承核®以后可以降到1V左右。

这里有个问题需要注意,轴两端本身也是有电势差的,有时候会超过轴承油膜能承受的程度。如果电机的一端装了导电环,另外一端不做措施,那么转轴两端的电压就会加到另外一端的油膜上,会加速循环电流的形成。对轴两端有电压,而且有超过单端轴电压风险的工况,要考虑一端加绝缘轴承,一端加导电环,一堵一疏的方案。堵是堵上循环电流,疏是把危害能量泄掉。或者两端都装导电环,让电流经两端的导电环而不是轴承循环。代价是轴里会有一点循环电流,但量级比较小。

现在轴电压问题很普遍,尤其800V不可避免,所以采取措施是非常必要的。和骋的护承核®经过实验室和实际应用验证,能有效地解决轴电压和轴承电腐蚀的问题。

如果大家有这方面的需求或有问题想探讨,欢迎联系和骋做进一步的沟通。谢谢大家!

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