CN109885881A - 一种造成轴承电腐蚀的临界轴电流的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种造成轴承电腐蚀的临界轴电流的确定方法，包括：根据电机的受载情况，分析得到单个滚珠受到的最大径向力；建立轴承的1/n三维模型(n为滚珠的个数)，将单个滚珠受到的最大径向力施加在三维模型的外滚道上，得到轴承在受力的情况下的最小油膜厚度；将三维模型简化为轴承击穿模型，根据轴承击穿模型，将最小油膜厚度作为击穿通路长度，对轴承击穿模型的电磁场和瞬态热力场进行仿真耦合；根据仿真耦合结果，查找出击穿点处的温度达到产生电腐蚀温度时所加的电流激励，即造成轴承电腐蚀的临界轴电流。本发明的方法只需要通过建模仿真来确定，节省了研究时间，采用多物理场耦合分析方法解决了轴电流研究领域的难题。

Description

一种造成轴承电腐蚀的临界轴电流的确定方法

技术领域

本发明涉及轴电流技术领域，尤其涉及一种造成轴承电腐蚀的临界轴电流的确定方法。

背景技术

交流电机使用变频器系统供电时会引入高频的共模电压，共模电压通过杂散电容在轴承内、外圈之间产生轴电压。轴承中的滚珠、滚道以及油膜形成轴承电容，当轴电压大于轴承电容能承受的最大电压时，轴承电容被击穿，由于轴电流击穿通路比较细微，所以在击穿点处的电流密度很大，产生轴承击穿电流，即为轴电流。轴电流瞬间释放大量的热，使滚珠与滚道表面击穿点处被融化，产生凹坑。进而由于电机的振动，会在内外滚道产生搓衣板纹路，最终影响电机的正常工作。因此轴电流问题受到了变频器厂家、电机生产厂家、电机用户、轴承生产厂家以及学术界的广泛关注。

双馈风力发电机的轴电流问题表现的尤为突出。风力发电机通常安装在离地面60～100米左右的塔筒顶端，因此轴承的维护程序复杂、轴承的更换也会产生很大的经济损失。据美国公司统计，在1～2MW双馈异步风力发电机的故障中轴承故障占70％。而造成轴承故障的原因中，除了可以人为避免的润滑油和环境污染等问题外，轴电流造成的轴承电腐蚀问题占比最大。

随着变频器应用日益广泛，轴电流造成的轴承电腐蚀问题已经引起工业界以及诸多学者的关注。为了抑制轴电流造成的轴承电腐蚀、增加轴承的使用寿命，许多厂家纷纷采取了一些措施来抑制轴电流如采用绝缘轴承、加装绝缘端盖、变频器输出端加磁环和转轴加接地碳刷等。以上措施都会起到一定的作用，并且组合的使用效果更佳，装置加装越多得到的抑制效果就越好。但是在综合考虑经济的前提下，需要采用既能抑制轴电流、又不会过度抑制的方案，此时需要给出轴电流的抑制标准，也就是造成轴承损坏的最大轴电流，即轴电流小于此值将不会造成轴承损坏，大于此值会产生轴承电腐蚀。

目前对于轴电流的抑制标准没有合理的界定，它的提出是一个难题。某些技术公司做了相关研究，通过解析计算赫兹接触面积以及路的方法来仿真，给出了造成轴承电腐蚀的轴电流的值，指出轴电流密度在小于0.1A/mm²时是安全的，但这个值主要基于经验，缺乏完整的科学认识。由于轴电流为多学科综合难题，所以通常都是通过统计的方法。但实际上，不同的轴承结构、油膜状态以及受载情况都会对其有影响，轴承油膜击穿是能量的聚集、电子的释放，用能量的角度分析和仿真更为准确。因此，需要一种用能量的角度分析和仿真的分析方法，来研究轴电流抑制标准。

发明内容

本发明提供了一种造成轴承电腐蚀的临界轴电流的确定方法，以解决以上问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

本发明提出了一种造成轴承电腐蚀的临界轴电流的确定方法，包括：

通过对电机的轴承进行受力分析，得到单个滚珠受到的最大径向力；

建立轴承1/n三维模型(n为轴承所含滚珠的个数)，将所述的单个滚珠受到的最大径向力施加在所述三维模型的外滚道上，得到所述轴承在受力的情况下的最小油膜厚度；

将所述三维模型简化为轴承击穿模型，根据所述的轴承击穿模型，将所述的最小油膜厚度作为击穿通路长度，对所述轴承击穿模型的电磁场和瞬态热力场进行仿真耦合；

根据仿真耦合结果，查找出击穿点处的温度达到造成电腐蚀温度时所加的电流激励，即为造成轴承电腐蚀的临界轴电流。

优选地，通过对电机的轴承进行受力分析，得到单个滚珠受到的最大径向力，包括：

根据下式(1)～(3)计算单个滚珠受到的最大径向力：

其中，F_r1为轴伸端所受径向力，F_r2为非轴伸端轴承所受径向力，F_max为单个滚珠受到的最大径向力，L为转轴两端轴承的中心间距，t为轴伸端轴承距转轴几何中心之间的距离，n代表轴承含有的滚珠个数。

优选地，建立轴承1/n三维模型通过在有限元三维仿真软件中建立。

优选地，建立轴承1/n三维模型，将所述的单个滚珠受到的最大径向力施加在所述三维模型的外滚道上，得到所述轴承在受力的情况下的最小油膜厚度，包括：

在静力学场中，将所述的单个滚珠受到的最大径向力施加在所述三维模型的外滚道上，通过机械仿真获得轴承在受力情况下的最小油膜厚度。

优选地，对所述轴承击穿模型的电磁场和瞬态热力场进行仿真耦合还包括：设置的轴电流的击穿通路截面为轴承受轴电流破坏产生坑蚀面积的典型值。

优选地，对所述轴承击穿模型的电磁场和瞬态热力场进行仿真耦合，包括：

将电磁场仿真的结果传送到热力场，根据电磁场仿真得到的损耗结果，得出在热力场中的温度变化。

由上述本发明的方法提供的技术方案可以看出，本发明不需要长年累月的统计，只需要通过建模仿真来确定，因此相比来说节省了研究的时间，将电磁场和热力场耦合起来仿真，得到造成轴承电腐蚀的轴电流临界值I_max，在轴电流预防设计中可以作为一个可参考的数值。对研究涉及电、热、机械、润滑等多学科的的轴电流问题具有指导性意义。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例的一种造成轴承电腐蚀的临界轴电流的确定方法流程示意图；

图2为造成轴承电腐蚀的临界轴电流的确定方法的仿真流程图；

图3为轴承的受力分析图；

图4为轴承单个滚珠的三维模型图；

图5为轴承外力施加示意图；

图6为轴承形变仿真图；

图7为最小油膜厚度仿真图；

图8为轴承击穿模型的简化过程示意图；

图9为轴承击穿局部模型图；

图10轴承击穿电热耦合仿真界面图；

图11为通过电热偶合仿真求解域的电流密度分布图；

图12为通过电热偶合仿真求解域的温度分布图；

图13为击穿点处温度分布图；

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤和操作，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤和操作。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且并不构成对本发明实施例的限定。

实施例

图1为本实施例的一种造成轴承电腐蚀的临界轴电流的确定方法流程示意图，图2为本实施例的造成轴承电腐蚀的临界轴电流的确定方法的仿真流程图，参照图1和图2，该方法包括：

S1通过对电机的轴承进行受力分析，得到单个滚珠受到的最大径向力。

首先对电机的轴承做受力分析，图3为轴承的受力分析图，如图3所示。单个滚珠受到的最大径向力的计算过程如下式(1)～(3)所示：

其中，F_r1为轴伸端所受径向力，F_r2为非轴伸端轴承所受径向力，F_max为单个滚珠受到的最大径向力，L为转轴两端轴承的中心间距，t为轴伸端轴承距转轴几何中心之间的距离，n代表轴承含有的滚珠个数，式(3)中i为1或2。

S2建立轴承1/n三维模型(n为轴承所含滚珠的个数)，将所述的单个滚珠受到的最大径向力施加在所述三维模型的滚道表面，得到所述轴承在受力的情况下的最小油膜厚度。

具体为，在有限元三维仿真软件中建立轴承1/n三维模型。图4为轴承单个滚珠的三维模型图，如图4所示。因为在外力的作用下钢性的轴承会有不同形式的变形，变形会影响到轴承油膜最小厚度的变化，所以为了观察轴承在外力作用下的形变状态以及得出轴承的最小油膜厚度，需要进行静力学分析，将所述的单个滚珠受到的最大径向力施加在所述三维模型的外滚道上，图5为轴承外力施加示意图，参照图5。然后，通过机械仿真获得轴承在受力情况下的最小油膜厚度h_min，图6为轴承形变仿真图，图7为最小油膜厚度仿真图，如图6和图7所示。

S3将所述三维模型简化为轴承击穿模型，根据所述的轴承击穿模型，将所述的最小油膜厚度作为击穿通路长度，对所述轴承击穿模型的电磁场和瞬态热力场进行耦合仿真。

将三维模型简化为轴承击穿模型。轴承油膜被击穿时发生在一点，所以在仿真轴承击穿时可以只考虑击穿的一小部分，因此可以将轴承模型进一步简化。假设击穿发生在滚珠的最低点，那么只需要滚珠的最低点和滚道的一部分，图8为轴承击穿模型的简化过程示意图，如图8所示。

实际的轴承击穿是随机发生的，与轴电压、轴承结构以及油膜状态都有密切的关系。为了研究轴电流与轴承电腐蚀间的关系，可以事先在轴承模型中设置击穿通路，将轴承受轴电流破坏产生的坑蚀面积设置为击穿通路截面，将所述的最小油膜厚度作为击穿通路长度。图9为轴承击穿局部模型图，如图9所示。两个六面体分别是轴承滚珠和滚道，位于他们之间的是击穿通路。

对轴承击穿模型的电磁场和瞬态热力场进行仿真耦合，包括：

对击穿通道加一个电流激励初值，经过电磁场仿真，得到击穿通道的电损耗，将该结果传送到热力场进行仿真，得出在热力场中的击穿点处温度。当该温度低于轴承材料(本实施例为钢)熔化的温度，说明该电流不会造成轴承电腐蚀；给电流激励一个增量，重复进行电热耦合仿真，直至击穿点处温度达到轴承材料熔化的温度，计算结束，此时最终所加的电流激励即为造成轴承损坏的临界轴电流I_max。

轴承击穿电热耦合仿真界面图如图10所示，左侧是电磁场仿真的控制面板，右侧是瞬态热力场仿真的控制面板，之间的连线表示两部分的耦合。即电磁场仿真的结果会传送到热力场。根据电磁场仿真得到的损耗结果，在热力场中得出温度的变化。

通过电热偶合仿真可以得到求解域的电流密度分布图以及温度分布图，分别如图11和图12所示。

S4根据耦合仿真结果，查找出击穿点处的温度达到造成电腐蚀温度时所加的电流激励，即为造成轴承电腐蚀的临界轴电流。

结合所研究的问题——造成轴承电腐蚀的轴电流，轴承电腐蚀主要发生在击穿点处，也就是模型中击穿通路与滚珠、滚道接触的点，因此只需观察击穿点处的温度和所加的电流激励。当击穿点处的温度达到造成电腐蚀温度时所加的电流激励即为造成轴承电腐蚀的临界电流。

由于钢融化的温度为1300～1400℃，这个也就是击穿电流造成轴承击穿点处产生电腐蚀的判断依据。改变所加轴电流激励的大小，观察击穿点处的温度，图13为击穿点处温度分布图，如图13所示，当击穿点处温度达到钢融化的温度时认为所加的轴电流即为造成轴承电腐蚀的临界轴电流。

本领域技术人员应能理解上述输入框的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的输入框应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

用本发明实施例的方法进行造成轴承电腐蚀的临界轴电流的确定方法的具体过程与前述方法实施例类似，此处不再赘述。

综上所述，本发明实施例通过用电热耦合仿真模拟轴承中轴电流问题，预先设定好击穿通路的方法；以轴承在击穿点处达到材料融化温度为判断依据给出造成电腐蚀的轴电流临界值的方法；通过静力学仿真避免复杂的机械应力、形变的计算，而给出油膜最小厚度的方法解决了多物理场交叉领域的难题。通过仿真过程得到造成轴承电腐蚀的轴电流临界值I_max。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种造成轴承电腐蚀的临界轴电流的确定方法，其特征在于，包括：

通过对电机的轴承进行受力分析，得到单个滚珠受到的最大径向力；

建立轴承1/n三维模型，n为轴承所含滚珠的个数，将所述的单个滚珠受到的最大径向力施加在所述三维模型的外滚道上，得到所述轴承在受力的情况下的最小油膜厚度；

将所述三维模型简化为轴承击穿模型，根据所述的轴承击穿模型，将所述的最小油膜厚度作为击穿通路长度，对所述轴承击穿模型的电磁场和瞬态热力场进行仿真耦合；

根据仿真耦合结果，查找出击穿点处的温度达到造成电腐蚀温度时所加的电流激励，即为造成轴承电腐蚀的临界轴电流。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的通过对电机的轴承进行受力分析，得到单个滚珠受到的最大径向力，包括：

根据下式(1)～(3)计算单个滚珠受到的最大径向力：

其中，F_r1为轴伸端所受径向力，F_r2为非轴伸端轴承所受径向力，F_max为单个滚珠受到的最大径向力，L为转轴两端轴承的中心间距，t为轴伸端轴承距转轴几何中心之间的距离，n代表轴承含有的滚珠个数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的建立轴承1/n三维模型通过在有限元三维仿真软件中建立。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的建立轴承1/n三维模型，将所述的单个滚珠受到的最大径向力施加在所述三维模型的外滚道上，得到所述轴承在受力的情况下的最小油膜厚度，包括：

在静力学场中，将所述的单个滚珠受到的最大径向力施加在所述三维模型的外滚道上，通过机械仿真获得轴承在受力情况下的最小油膜厚度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的对所述轴承击穿模型的电磁场和瞬态热力场进行仿真耦合还包括：设置的轴电流的击穿通路截面为轴承受轴电流破坏产生坑蚀面积的典型值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的对所述轴承击穿模型的电磁场和瞬态热力场进行仿真耦合，包括：

将电磁场仿真的结果传送到热力场，根据电磁场仿真得到的损耗结果，得出在热力场中的温度变化。