軸電流是影響馬達壽命的重要因素之一。正常情況下，軸承的內圈和外圈之間的潤滑油膜可以起到絕緣的作用，軸電流接近為零；當軸承內、外圈之間的軸電壓增加到一定數值時，尤其在馬達啟動時，潤滑油膜還未穩定形成，軸電壓將擊穿油膜產生軸電流放電，瞬態電流可達數百安以上。由於放電位置的金屬接觸面很小，電流密度大，造成軸承局部被燒熔，於是在軸承內表面上燒出小凹坑或凹槽（如上圖所示）。車輛整體上的表現主要是馬達運轉不平穩，產生震動，噪音變大。
軸電流由軸電壓產生，由於軸電流的放電具有一定的電荷累積效應和隨機性，因此直接模擬軸電流難度是非常大的。相較之下，我們可以透過模擬軸電壓的大小，間接判斷造成軸電流的風險，這樣的模擬同樣非常有價值。在對軸電壓進行模擬分析的過程中，我們參考了PH.D. Peng Han在IEEE發表的論文，作者對軸電壓的產生機制以及建模方法有詳細的介紹，這裡也對論文的作者PH .D. Peng Han表示感謝。我們這次是基於CST軟體，向大家介紹一個基於全3D建模的軸電壓模擬思路，可以精確評估出軸電壓的大小及風險度。
創建軸承的3D模型
軸承的主要3D結構主要由內圈、外圈、保持架及鋼球組成。軸承在轉動過程中，鋼球和內外圈之間會有一層油膜，可以起到絕緣的作用。在CST的建模過程中，我們只需要保留內圈、外圈的結構，在內外圈之間添加 port，來模擬內、外圈的分佈電容大小。
創建軸電壓的系統級模擬模型
將已經創建好的馬達、MCU控制器、軸承等模型組裝在一起，就構成了完整的軸電壓模擬模型，這個模型和電力驅動系統EMC模擬非常類似。
搭建外圍電路、設定馬達驅動訊號
軸電壓模擬外圍電路與電力驅動系統EMC模擬的電路非常近似，差異之處在於幾個關鍵的分佈電容的設定。參考論文中Fig6給出了軸電壓的等效電路圖，Cws是繞組對定子，Cwr是繞組對轉子，Csr是定子對轉子，Cb是軸承內外圈的等效電容。在模擬建模初期，需要藉助測量手段得到準確的電容值，這是精確模擬軸電壓的前提條件。在設定Cb的容值時，我們也參考了論文中的測量結果。
軸電壓模擬結果及機制分析
軸承在穩態工作下，共模電壓CMV是由Cws、Cwr、Csr、Cb共同作用產生的，軸電壓Vb的大小等於Cws的電壓減去Csr的電壓，這就是軸電壓產生的根本原因。下圖是模擬出來的Cws和Vb電壓波形。
把Cws的電壓波形和Cwr的電壓波形相減，再和Vb上的電壓波形比較，可以看到這兩個電壓波形完全一致。
從原理上來說，減小Cwr的值就可以減少軸電壓。但從實際工程的角度來說這並不容易實現，因為Cwr是由三維結構設計決定的，小夥伴們可以動動腦筋，想出好的辦法就可以申請專利。現階段工程師常用的解決辦法，就是採用絕緣軸承。那麼絕緣軸承能否降低軸電壓呢？
我們透過模擬對比增加絕緣層前後軸電壓的變化，從模擬結果來看，Vb2（絕緣後）的電壓要明顯小於Vb1（絕緣前），顯示絕緣軸承確實能起到降低軸電壓的作用。有興趣的小夥伴還可以分析下絕緣層厚度對軸電壓的影響。
原文轉載來自: 周明 – CST电动汽车EMC仿真（三）——初探轴电压
系列文章：
CST電動車EMC模擬（一）——馬達的3D建模
CST電動車EMC模擬（二）——馬達控制器MCU的EMC模擬
CST電動車EMC模擬（三）——初探軸電壓
CST電動車EMC模擬（四）——馬達控制器MCU濾波模擬
CST電動車EMC模擬（五）——解鎖GB/T18387車輛整體RE模擬的密碼（上）
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