驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸承電腐蝕原罪—趨膚效應(yīng)

新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸承最常見的失效模式除了之前文章中提到的 蠕變跑圈 以外，還有 電腐蝕 。其中電腐蝕的失效模式又可分為 白蝕裂紋（WECs） 和 凹槽腐蝕（FLUTING） 。

工程應(yīng)用中最容易分辨及觀察到的是后者，所以一般大家說的軸電流導(dǎo)致的軸承腐蝕說的也是后者，當(dāng)然危害也是最大的。

隨著新能源的發(fā)展，軸電流實(shí)際應(yīng)用解決的方案已日漸成熟，常見的有軸接地、陶瓷球軸承、導(dǎo)電油脂等。前面的“ 我們從奧迪E-TRAN學(xué)到什么？ ”文章中有提及奧迪方案。E-TRAN電機(jī)轉(zhuǎn)子具有特殊的軸接地，以避免可能的軸承電流流過滾動(dòng)軸承或齒輪。同時(shí)，兩個(gè)內(nèi)部轉(zhuǎn)子軸承設(shè)計(jì)為陶瓷軸承，以避免軸電流通過。功能是防軸承電腐蝕。

軸電流的產(chǎn)生以及解決方案我們不做過多的闡述，本文嘗試著去討論失效的機(jī)理。

研究表明0.01A的電流能夠降低軸承的使用壽命達(dá)20%。 如果只從電流數(shù)值上來說，很難理解這種低值電流到底是如何顯著的損壞軸承？ 甚至可以達(dá)到達(dá)到肉眼可見的凹槽。

對(duì)于凹槽的形成，現(xiàn)在大家可以達(dá)成一致的是：

第一階段，電流的產(chǎn)生： 凹槽是表面之間顯著電壓差異引起的失效模式 。

第二階段，腐蝕過程：高溫+應(yīng)力。

在高溫的形成上，分歧就存在了 。最常見的一種理論認(rèn)為凹槽是由電火花加工，也就是電弧產(chǎn)生高溫。雖然這種理論有一定的說服力，但筆者更傾向下面的這種機(jī)理，即 軸承趨膚效應(yīng)導(dǎo)致的失效 。

趨膚效應(yīng)并不陌生，是阻礙扁線電機(jī)高速化發(fā)展的一大障礙。其原理簡(jiǎn)單如下：

當(dāng)導(dǎo)體中有交流電或者交變電磁場(chǎng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布不均勻，電流集中在導(dǎo)體的“皮膚”部分，也就是說電流集中在導(dǎo)體外表的薄層，越靠近導(dǎo)體表面，電流密度越大，導(dǎo)體內(nèi)部實(shí)際上電流較小。結(jié)果使導(dǎo)體的電阻增加，使它的損耗功率也增加。這一現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)(skin effect)。

對(duì)于鋼，如果頻率為100kHz，則皮膚深度約為30um。如果頻率增加到1MHz，皮膚深度減少到大約10um。 因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸承的高頻電流主要通過很淺的鋼表面。即使軸承電流強(qiáng)度低到mA級(jí)，但在非常淺的表面上的熱積累是不容忽視的。 軸承電流皮效應(yīng)引起的熱量積累，加上滾珠摩擦產(chǎn)生的熱量，將導(dǎo)致第一輪高溫。該溫度并不能直接熔化鋼表面，但是卻能使得潤(rùn)滑油膜產(chǎn)生高溫失效。最終，軸承會(huì)因?yàn)闈?rùn)滑油膜高溫失效導(dǎo)致潤(rùn)滑不良繼續(xù)升溫，繼而達(dá)到熔化鋼表面的第二輪高溫。從這個(gè)角度來說，軸電流導(dǎo)致的凹槽的原罪是集膚效應(yīng)。