马达轴电压的发生及轴绝缘的做法

馬達軸電壓的發生及軸絕緣的做法馬達軸電壓的發生及軸絕緣的做法馬達軸電壓的發生及軸絕緣的做法馬達軸電壓的發生及軸絕緣的做法在工業應用上，軸承損壞一直佔有馬達損壞案例中相當高的比重，而軸電流通過軸承則是造成軸承損壞的重要原因之一。除了由於馬達先天設計或製造上的緣故造成磁通不平衡，導致軸端之間產生軸電壓及軸循環電流外，近年來以變頻器驅動馬達的方式逐漸廣泛應用，也使得肇因於此種驅動方式所發生的軸對地電壓及軸電流成為伴隨而來的問題。本文即就一般馬達常見的軸電壓發生機構及軸電流防止對策做一介紹。軸電流造成的損壞軸電流造成的損壞軸電流造成的損壞軸電流造成的損壞轉動機械在軸與軸承間及軸承本體內須有滑脂或機油油膜存在以利軸的旋轉，此油膜對於小的軸電壓亦具有絕緣作用。當軸電壓增大至超過油膜絕緣強度而未能採取適切的軸電流防止對策時，則油膜將被破壞而在軸承及軸的金屬接觸部位形成電流流通，造成電弧(arc)作用，電弧的高溫即引起金屬熔融現象。此種熔融現象，對於滑動軸承構造會在軸襯合金處呈現麻點(pitting)狀之孔蝕，或在軸上呈現刮痕狀之損傷；對於滾動軸承構造一般會在滾子及內外環軌道面分別造成彈坑狀和洗衣板條紋侵蝕痕跡(washboardeffect)，如圖1所示，此洗衣板痕跡並會使軸承發生高頻噪音。電弧作用同時會導致碳的析出使潤滑油變黑劣化，受損的金屬表面及碎屑則造成軸承的異常磨耗加劇，終致整個軸承損壞。圖1發生於滾動軸承內環之洗衣板痕跡軸電壓的發生機構軸電壓的發生機構軸電壓的發生機構軸電壓的發生機構馬達軸電壓有數種可能的發生原因，相對於各種發生原因，其軸電流防止對策也有所不同，對於感應馬達較常發生軸電壓的原因為磁路不平衡、外在電壓作用、軸磁化效應及靜電感應等，茲就其軸電壓發生機構做一說明。(1)磁路不平衡磁路不平衡磁路不平衡磁路不平衡由定部線圈所產生的磁通會通過磁阻低的定部鐵心和轉部鐵心以及磁阻高的氣隙(airgap)。磁路不平衡是指在此磁路中所含的磁阻不平衡，例如鐵心扇形片的接合處、鐵心中的通風孔、鐵心鋼片透磁率的方向性、氣隙不平衡及鐵心表面的短路狀態差異等。這些磁路不平衡會產生繞軸磁通，特別是在鐵心分割數或扇形片數和極數之關係吻合某條件時會顯著呈現。如圖2所示為定部鐵心有2處分割的4極電機之磁通迴路，可分為順時針方向迴轉磁通φ1及反時針方向迴轉磁通φ2。在圖2(a)之狀態時，φ2通過鐵心分割處的氣隙部分，因磁阻不同以致較φ1為小，而產生一圍繞主軸之差磁通φ3。從(a)之狀態迴轉一極節矩(pitch)後，磁通之方向變成相反，如圖2(b)所示，此繞軸磁通之變化導致兩軸端之間產生一感應電壓，即所謂之軸電壓，其頻率為轉部迴轉頻率2倍而與電源頻率相同。圖2定部鐵心有2處分割的4極電機磁通迴路又如在6極電機定部鐵心有2處分割時，其磁通迴路如圖3所示，φ1與φ2相互抵銷，因此並不產生上述之繞軸磁通φ3，也不會形成軸電壓。圖3定部鐵心有2處分割的6極電機磁通迴路由上述說明可歸納出一簡易規則：「若極數為「若極數為「若極數為「若極數為P，鐵心分割數為，鐵心分割數為，鐵心分割數為，鐵心分割數為n，則分數，則分數，則分數，則分數2n/P之約分數的分子為奇數時會產生之約分數的分子為奇數時會產生之約分數的分子為奇數時會產生之約分數的分子為奇數時會產生軸電壓，軸電壓頻率等於此約分數之分子乘以該電源頻率。」軸電壓，軸電壓頻率等於此約分數之分子乘以該電源頻率。」軸電壓，軸電壓頻率等於此約分數之分子乘以該電源頻率。」軸電壓，軸電壓頻率等於此約分數之分子乘以該電源頻率。」上述由極數與定部鐵心分割數匹配所引起之磁路不平衡是屬於設計及構造上的原因，其他如製造、材料及使用上的缺陷也可能引起磁路不平衡。如圖4所示，若轉部有偏心，磁通φ1及φ2通過氣隙處的距離有所差異，由於磁阻不同致φ2比φ1為小，而呈現出如同定部鐵心存在一分割處的現象。又如當定部鐵心透磁率之方向性有差異時，可以看成如圖2所示定部鐵心有2處分割的情況，由前述規則可知極轉部鐵心數為4的倍數時其軸電壓應加以留意。一般感應馬達若採用具方向性透磁率之鐵心片且其定部鐵心是以積疊方式構成時，可採取適當改變積疊方向的作業方式，以減少軸電壓之產生。其他如鼠籠型感應馬達若進行頻繁之起動或轉部堵住作業時，則轉部銅棒(rotorbar)有可能斷裂，此時由於流通於轉部銅棒的電流不平衡導致旋轉磁場各極磁通量不平衡，也會在軸端之間發生軸電壓。圖4轉部偏心時之磁通迴路(2)外在電壓作用外在電壓作用外在電壓作用外在電壓作用在省能源的趨勢下，以Scherbius控制器或變頻器驅動馬達的方式逐漸廣泛應用。如圖5(a)所示以Scherbius控制繞線型感應馬達時，在轉部線圈會產生漣波電壓(ripplevoltage)Vr，因靜電感應促使轉部線圈絕緣物形成的電容為Cw，軸與軸承間之油膜和軸承與軸承台間之絕緣形成的電容為Cb，圖5Scherbius及VVVF控制時所發生之軸電壓則分壓Vs=CbCwCw+Vr即為軸與軸承間所發生的軸電壓，因Cw與Cb值通常相差不大，故Vs值相當大，往往可達數十伏特以上。圖5(b)所示為鼠籠型感應馬達以VVVF變頻器進行速度控制，為了降低電源諧波造成的馬達額外損失及及人耳可感的噪音，變頻器切換頻率(switchingfrequency)或載波頻率(carrierfrequency)已較過去提高，而起動時間(turn-ontime)則減少，此種改變大幅增加了馬達電壓源的高頻分量，如同Scherbius控制時的漣波電壓Vr，由於電容耦合(capacitivecoupling)作用，一樣會發生軸電壓Vs，因定部線圈與軸間形成的電容Cw比軸與軸承間形成的電容Cb小得多，故所發生之軸電壓不如Scherbius控制時大。但是，隨著馬達出力增加，其軸電壓值也增大，因此也有採取軸電流防止對策的必要。(3)軸磁化效應軸磁化效應軸磁化效應軸磁化效應當有圍繞轉軸之安匝不平衡(ampere-turnunbalance)產生時，將使轉軸被磁化(magnetized)並生成一磁通迴路φ，如圖6所示，此磁通由一邊軸承流出，經由馬達外框，再由另一邊軸承流入。轉軸中每一個和軸承相鄰的軸向小元素，如圖中之MN及PQ，於轉軸旋轉時，都形成切割磁通φ的導體，因此會在M與N以及P與Q之間分別感應生成一電動勢或電壓，此軸電壓與前述磁路不平衡及外在電壓所引起的兩軸端間軸電壓及軸對地電壓不同，僅存在轉軸相鄰軸承的局部元素，而其形成之電氣迴路是兩個在軸與軸承間的局部迴路。圖6轉軸磁化效應引起之電氣迴路(4)靜電荷蓄積（靜電效應）靜電荷蓄積（靜電效應）靜電荷蓄積（靜電效應）靜電荷蓄積（靜電效應）在與馬達連結的機構中，於某些情況下，有可能產生帶電的靜電荷蓄積在轉軸上，這些靜電荷就會形成一對地之電位差或電壓。例如在軸承以強制機油潤滑時，機油從油箱經過油泵循配管油路進入兩端軸承，當潤滑油通過配管中的濾網或過濾器時，因流量變小造成的擾動變化就可能使潤滑油分子變成帶電粒子，因為潤滑油本質多為不良導體，基本上屬於非導電性介質，所以即使經過相當距離之接地配管，仍可能有一些分子保持帶電，最後便蓄積在轉軸軸頸上，而形成一對地之電位差或電壓。此外，當負載機械是由皮帶輪驅動時，若負載機械端皮帶輪有靜電荷產生，由於皮帶多為不良導體，該靜電荷便可經由皮帶傳到馬達端皮帶輪，最後蓄積在馬達轉軸上，形成一對地軸電壓。通常靜電荷蓄積至軸電壓足以穿過油膜時即行放電，造成瞬間軸電流，但並不會持續產生大的軸電流，然而，只要靜電荷產生機構仍然存在，則充電放電的過程將不斷反覆進行，終將導致軸承的損壞。軸電流防止對策軸電流防止對策軸電流防止對策軸電流防止對策當上述軸電壓超過某界限值時，將因軸電流穿過油膜而傷及軸承。然而，可容許的軸電壓值因受到所使用軸承的大小、迴轉速度、振動乃至於潤滑油劣化等因素左右，實際上很難有一定的標準。例如在NEMA/MG-1規範中指出軸電壓大於300mV峰值時應實施軸絕緣，IEC34-17規範則指出依經驗軸電壓大於500mV峰值時對滾動軸承有必要實施軸絕緣，有的電機製造廠商則依據其運轉實績及實驗數據，訂出在滑動軸承時0.5V及滾動軸承時0.3V為一般使用狀態下的軸電壓容許值。以磁路不平衡所產生的軸電壓而言，發生原因如前所述牽涉許多方面，若想在構造上或製造上採取預防措施以避免所有發生軸電壓的可能或將軸電壓降至容許值以下，實際上並不容易，因此，一般在馬達設計時即採取軸絕緣做為軸電流防止對策；然而，若要將所有馬達都採軸絕緣設計顯然又不符合經濟效益，所以在實務上，一般電機製造廠商都有其自訂使用軸絕緣的時機。例如有的廠商是以馬達IEC框號450以上為使用基準，有的是以6極以上馬達為使用基準，有的則以IEEE112規範所提之馬達輸出500HP以上為使用基準。對於使用Scherbius或變頻器驅動的感應馬達，因多半會產生較大軸對地電壓，一般電機製造廠商都會採用軸絕緣設計。而對於靜電荷蓄積效應，因與連結機構有關，有其不確定性，一般電機製造廠商多視情況而定，並無一致性絕緣做法。至於由安匝不平衡引起的軸磁化效應，一般必須改善線圈繞組，使用中性化安匝，才是釜底抽薪之計。此外，也可以採取治標性的對策，例如使用接地碳刷將軸電流導引接地，惟軸磁化效應是產生低電壓大電流，碳刷必須為低接觸電阻（contactresistance）較有作用，所以在碳刷之材質及使用上應加以留意。另一方式則是增加圖6中經過轉軸、軸承及外框的磁通迴路的磁阻，實務上可在軸承座或外框使用非導磁性的材料，如鋁或不鏽鋼等。軸絕緣設置軸絕緣設置軸絕緣設置軸絕緣設置如前所述，由磁路不平衡所引起的軸電壓是發生在兩軸端之間，其形成之軸電流，如圖7，即所謂之軸循環電流（circulatingcurrent），只要在此迴路中某一處予以絕緣阻隔，即可達防止軸電流之目的。圖7由磁路不平衡引起之電氣迴路一般最常見的單軸直結馬達，其軸絕緣位置應設於反負載側軸承，如圖8(a)所示，可防止軸電流流經馬達及負載機械軸承。其他的配置狀況，如圖8(b)是兩台馬達串列(tandem)構造，中間的雙軸馬達依圖8(a)做法即可，但最外側單軸的馬達在兩側軸承均須實施絕緣才能防止軸電流。圖8(c)(d)是雙軸馬達一端有直結轉速發電機或油泵時的情形，若所直結之轉速發電機或油泵須接地時，則如圖8(c)所示須在聯結器施行絕緣，若不必要接地時，則可如圖8(d)所示，將整個機體施以對地絕緣。圖8軸絕緣設置位置至於外在電壓作用或靜電荷蓄積所引起之軸電壓，因其形成之電氣迴路可由定部或轉部經兩端軸承到接地，因此兩端軸承均須加以絕緣。另一方式則是採用接地碳刷將軸的一點接地，避免形成通過軸承之電氣迴路，一般都將接地碳刷設在負載側伸出之軸端，如圖8(a)~(d)＊記號位置，但應注意馬達使用場所很容易產生油污或其他雜質灰塵等附著於轉軸和碳刷上，影響接地效果，故須經常維護清潔才能發揮作用。具體的絕緣做法具體的絕緣做法具體的絕緣做法具體的絕緣做法絕緣材料一般都採用兼具機械強度及耐油性的聚酯玻璃(polyesterglass)或環氧樹脂玻璃(epoxyglass)複合物。至於軸絕緣部位，在使用軸承台(pedestal)型軸承時，是在軸承台與基座之間設置絕緣板，如圖9所示，不僅是軸承台及基座間，對於螺栓及墊圈也必須加以絕緣。圖9軸承台絕緣做法使用托架(bracket)型軸承時，則在托架與軸承座間設置絕緣板，圖10(a)所示為滾動軸承絕緣做法，圖10(b)所示為托架型滑動軸承絕緣做法。前者應注意被絕緣板阻隔之托架及軸承座須避免有任何金屬接觸，以免形成電氣旁路，例如伸入軸承座的軸承溫度探測棒及其延伸之金屬蛇皮導管或潤滑油脂之注洩油管等，均須絕緣包紮或與托架保持距離。(a)滾動軸承絕緣做法(b)滑動軸承絕緣做法圖10托架型軸承絕緣做法近年來滾動軸承廠商發展出絕緣軸承，以電漿噴塗技術將陶瓷絕緣層噴附在軸承外環配合面，如圖11，由於軸承外型尺寸、公差均與標準軸承相同而具互換性，因此也提供了托架絕緣以外另一種簡單的絕緣做法。圖11絕緣