电机密封圈断裂造成轴承温度高（电机轴承电腐蚀问题刨析）

近年来，电动车的销量节节高，伴随而来的是电动车的质量问题，为了减少客户抱怨，很多问题必须在设计阶段就进行规避。电机的轴承电腐蚀问题是最近各家主机厂重点关注的问题。电动车辆的突出特点之一是其使用寿命长，因为与内燃机相比，电动驱动装置中的活动部件数量较少。由于轴承电流和相关的电腐蚀会导致部件磨损并损坏电机轴承，电动车辆的使用寿命可能将受到严重限制。因此，为了有效防止轴承破坏，这些破坏性的电流必须被引流接地。本文主要讲述轴电流/轴电压的相关问题，重点在于与各位探讨在设计前期如何规避轴电流带来的电腐蚀问题。

图1 电动汽车

2、概念——什么是轴电流？

在了解轴电流之前我们先了解一下轴电压，正是因为在轴承内外圈之间有了轴电压，形成电势差才产生了轴电流。

轴电压——轴电压是指电机运行时，电机两轴承端或电机转轴与轴承间所产生的电压。其本质由于定子磁场的不平衡或转轴本身带磁，当出现交变磁通时，在轴上感应出的电压。

轴电流——指由转轴、轴承内圈、油膜、轴承外圈、壳体构成回路，如下图2所示，当油膜绝缘被破坏时，就在回路内产生电流。

图2 轴电压示意图

轴电压/轴电流事件可以简单理解为电火花加工，轴承内外滚道由于较大的放电电流，瞬间短路。

3、轴电流的产生机理

轴电流的产生机理主要是在轴承内外圈之间由于不同情况产生的轴电压，形成电势差，最终形成了轴电流，本文主要介绍应对轴电流的解决方案。

4、轴电流的危害

轴电压不高，通常乘用车用电机为30V左右，有些会高些，但回路电阻很小，因此，产生的轴电流可能很大，有时达数百安培。当轴承因安装、油污、损坏或老化等原因失去绝缘性能时，电机轴电压足以击穿轴承油膜而产生放电。放电会使润滑的油质逐渐劣化，轴承滚珠两端出现电腐蚀现象，严重者会使轴承烧坏，被迫停机造成事故。

图4 轴承滚珠滚道出现电腐蚀的过程

滚动轴承内外圈滚道上类似搓板一样的纹路，见下图5所示。这是由于轴电流流经滚道与滚动体的接触面时产生放电火花使局部金属材料熔化，熔化物被高速旋转的内圈和滚动体碾压形成搓板纹；对滑动轴承，会在轴瓦合金表面形成放电火花烧灼的痕迹。这些都会对轴承造成严重伤害。

当轴电压超过轴承润滑油的绝缘能力，即高于油层的击穿电压时，产生了火花电流。此时，油膜被击穿，轴承内外滚道瞬间短路。

整个过程可简化为：轴电压迅速放电，对轴承内侧“打电弧”，产生电腐蚀。

由于滚珠与滚道内表面为点接触，放电电流密度很大，电流的瞬间高温可能灼伤轴承，导致轴承座圈出现电腐蚀和槽沟（具体如下图5），整车上的体现通常是伴随着NVH问题，引起顾客的抱怨。

图5 轴承滚道电腐蚀现象

5、行业内应对轴承电腐蚀危害的解决方案

轴承电腐蚀问题的发生是因为轴电流通过了轴承滚珠与滚道的点接触区域，所以通常的解决思路有两个：第一个思路是对轴承进行绝缘处理，隔断轴电流的导通。第二个思路是让轴电流进行旁路传导，不让电流通过轴承，这样就可以解决电腐蚀问题。

图6 轴承发生电腐蚀的原理说明

5.1 导电环方案

导电环方案与碳刷方案类似，即一边与轴接触，另一端安装在壳体上（接地）即可，将电导入地下即可有效防止轴电压的产生，示意图如下图7所示。应用客户较多，特斯拉，吉利，广汽均有产品应用。

图7 导电环结构示意图

导电环方案有优点也有缺点，具体分析如下：

优点：安装简单，改善效果明显，可以有效解决轴承电腐蚀问题。

缺点：成本较高，需要壳体以及轴均配合进行调整。同时在油冷电机中效果不稳定，因为高速运转工况下，润滑油绝缘特性会起一定的绝缘作用，所以高速运转情况下的电腐蚀问题会依然存在。

5.2 导电油脂轴承方案

导电油脂轴承是相对来说最简单的方法，与普通轴承尺寸完成相同，只是内部油脂在满足耐高温性能和低温流动性的基础上，增加了油脂导电性，抗电腐蚀性，可以延长轴承的使用寿命，同时相对于常规轴承，导电油脂轴承的导电性能更优，轴承导电性能测量结果如下图8所示，此设计在国内比较多，长安，特斯拉均有产品应用。

图8 导电油脂轴承导电性能测量结果

导电油脂轴承方案优缺点对比如下：

优点：设计简单，优化改动最小，成本最优，对于轴电压，可以有效减小轴电压有效值，但是对于峰峰值的改善很有效。

缺点：导电油脂轴承改善方案的效果不太稳定，冷态情况下，油脂油膜没有有效形成之前，对于轴电压改善效果不明显，但是当温度升起来后，对于轴电压的改善会有明显的改善。

5.3 陶瓷（球）轴承方案以及轴承外圈绝缘处理方案

此方案的原理是对轴承进行电气绝缘，以防止轴向电流通过轴承，即采用“堵”的方法解决轴电流的产生。具体图示见下图9所示，左图为陶瓷球轴承示意图，右边为轴承外圈绝缘处理方案，都是采用的堵的思路。

图9 陶瓷（球）轴承方案以及轴承外圈绝缘处理方案

轴承绝缘的处理方案优缺点对比如下：

优点：成本相对要高，装配简单，对轴电流的改善效果明显。

缺点：可靠性耐久问题是个风险，同时外圈绝缘处理零件不易生产，同时此方案对电机配合零件的传动系统可能存在一定的损伤，电压可能通过配合的传动系统找到其他更大的回路，从而对配合件产生电腐蚀问题。不同方案可能存在不同的情况，需要注意的是，不管是采用陶瓷轴承抑或是在轴承内外圈喷涂绝缘涂层，对电蚀而言，这两种方法都存在较大的隐患， 由于内部机理较为复杂，此处给出简单解释：从能量分析的角度，此种方法并没有削弱寄生电能，这些高频寄生电能将会通过轴承外圈与其他结构耦合形成流通路径，进而释放能量。

6、结束语

轴电压的预防不仅仅在于源头阻断，路径阻断以及末端采取措施，更重要的是以预测性维护的角度，定期验证应对措施采取的有效性以及可靠耐久性，实现真正意义上的保障轴承、保障电机、保障安全。

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