CST電動汽車EMC仿真（三）- 初探軸電壓

作者 | Zhou Ming

注：圖片來自互聯網。

軸電流是影響電機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，尤其在電機啟動時，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，瞬態電流可達到幾百安以上。由于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，于是在軸承內表面上燒出小凹坑或凹槽（如上圖所示）。整車上的表現主要是電機運轉不平穩，產生震動，噪聲變大。

軸電流由軸電壓產生，由于軸電流的放電具有一定的電荷累積效應和隨機性，因此直接仿真軸電流難度是非常大的。相比之下，我們可以通過仿真軸電壓的大小，間接地判斷造成軸電流的風險，這樣的仿真同樣非常有價值。在對軸電壓進行仿真分析的過程中，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理以及建模方法有詳細的介紹，在這里也對論文的作者PH.D. Peng Han表示感謝。我們這次是基于CST軟件，向大家介紹一種基于全3D建模的軸電壓仿真思路，可以精確地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、外圈的分布電容大小。

創建軸電壓的系統級仿真模型

將已經創建好的電機、MCU控制器、軸承等模型組裝到一起，就構成了完整的軸電壓仿真模型，這個模型和電驅系統EMC仿真非常類似。

搭建外圍電路、設置電機驅動信號

軸電壓仿真外圍電路與電驅系統EMC仿真的電路非常近似，區別之處在于幾個關鍵的分布電容的設置。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。在仿真建模初期，需要借助測量手段得到準確的電容值，這是精確仿真軸電壓的前提條件。在設置Cb的容值時，我們也參考了論文中的測量結果。

軸電壓仿真結果及機理分析

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的大小等于Cws的電壓減去Csr的電壓，這就是軸電壓產生的根本原因。下圖是仿真出來的Cws和Vb電壓波形。

Cws電壓波形vs Vb電壓波形

把Cws的電壓波形和Cwr的電壓波形相減，再和Vb上的電壓波形相比較，可以看到這兩個電壓波形完全一致。

Vb電壓波形

從原理上來說，減小Cwr的值就可以減小軸電壓。但從實際工程的角度來說這并不容易實現，因為Cwr是由三維結構設計決定的，小伙伴們可以開動腦筋，想出好的辦法就可以申請專利。現階段工程師常用的一個解決辦法，就是采用絕緣軸承。那么絕緣軸承能否降低軸電壓呢？

絕緣軸承的3D模型

我們通過仿真對比增加絕緣層前后軸電壓的變化，從仿真結果來看，Vb2（絕緣后）的電壓要明顯小于Vb1（絕緣前），說明絕緣軸承確實能起到降低軸電壓的作用。感興趣的小伙伴還可以分析下絕緣層厚度對軸電壓的影響。